Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1979. N°: 63.

Le béton projeté est une méthode de mise en place rapide, économique et polyvalente qui offre de multiples avantages par rapport au béton conventionnel dans divers types de constructions nouvelles et dans les réparations. Un des grands avantages du béton projeté est de permettre une mise en place sur des surfaces fortement irrégulières en utilisant peu on même aucun coffrage. Cependant, ces mêmes caractéristiques rendant le béton projeté avantageux et polyvalent peuvent le rendre vulnérable à la fissuration due au retrait restreint. Cette vulnérabilité vient de la restriction élevée inhérente à de nombreuses applications (projection adhérente sur substrat rigide). En effet, le béton développera des contraintes internes s’il ne peut manifester ses changements volumétriques librement, ce qui peut conduire à de la fissuration lorsque ces contraintes atteignent la résistance en traction du matériau. La fissuration des réparations due au retrait restreint est sans aucun doute un des plus grands défis auxquels l’industrie des réparations en béton fait face aujourd’hui. La fissuration peut raccourcir les années de service d’une structure en béton (corrosion accélérée, délamination, etc.) et engendre souvent des coûts des maintenances supplémentaires importants. Il existe peu d’informations fiables dans la littérature sur les paramètres qui influencent la fissuration due au retrait restreint des bétons projetés ainsi que sur leur comportement à long terme en service. Ce manque d’informations à propos de l’influence des différentes composantes du mélange et de la mise en place des bétons projetés rend difficile, voire impossible, la prédiction du comportement à long terme des bétons projetés face aux problèmes de fissuration. De plus, l’ensemble des paramètres individuels affectant la fissuration due au retrait restreint est très difficile à identifier. Pour cette raison, il est devenu impératif de caractériser le comportement volumétrique des bétons projetés au moyen d’essais de retrait restreint. Dans cette thèse, l’évolution de différentes propriétés à l’état frais et durci telles que la consistance de projection, le rebond, la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, le module élastique, le retrait libre et le retrait restreint est étudiée. Ce projet se concentre particulièrement sur les mélanges et leur composition, la méthode de mise en place et le potentiel de fissuration due au retrait restreint. Le potentiel de fissuration sera évalué au moyen d’une procédure d’essai annulaire qui a récemment été adaptée et amélioré pour les bétons projetés. À partir des données expérimentales générées, une analyse approfondie du développement des contraintes et de la résistance à la fissuration des bétons projetée sera conduite. / Shotcrete is a fast, cost-saving, sustainable and versatile concrete placement method that offers numerous advantages over conventional concrete in a variety of new construction and repair works. One of the major benefits of the shotcrete process is that it can be sprayed over irregular surfaces and can cover large surfaces with little or no formwork. Howbeit, these same versatile features also often make shotcrete vulnerable to restrained shrinkage cracking. Cracking occurs mainly because of the highly restrained conditions that are inherent in many shotcrete applications (spraying on a rigid substrate). If shrinkage is restrained, internal tensile stresses are progressively induced in the element which can lead to cracking when the stresses eventually exceed the tensile strength of the material. Cracking of repair materials is unarguably one of the major challenges facing the repair industry worldwide today. Cracking can shorten the service life of concrete structures (accelerated corrosion, delamination, etc.) and often requires significant additional costly maintenance. Yet, reliable material data on parameters that influence the longterm service life and cracking in-place shotcrete is scarce. This lack of information on the influence of mixture composition as well as the placement process makes it difficult, if not impossible, to predict the long-term cracking behaviour of shotcrete. Furthermore, key mixture parameters that lead to cracking have been very difficult to identify. For this reason, it has become imperative for material characterization to be made on the basis of a restrained shrinkage test. In this thesis, different fresh and hardened shotcrete properties such as spraying consistency, rebound, compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus, free shrinkage, and restrained shrinkage deformation are investigated. The project focuses particularly on mix designs and compositions, placement process and the potential for cracking due to restrained shrinkage. The shrinkage ring test method which has been recently adapted and improved for shotcrete will be used to evaluate the cracking potential. Based on the experimental data that will be generated, an in-depth analysis of stress development and cracking resistance of shotcrete will be conducted.

En partant d'une problématique industrielle correspondant à la naissance de fissures lors de l'excavation d'un tunnel dans un matériau argileux, nous proposons de nous intéresser à un sujet plus large qui est celui de la nucléation d'une fissure de dimension macroscopique. Ainsi, des résultats généraux et théoriques sont établis tout au long de ce mémoire. Ces derniers sont toutefois utilisés pour proposer une interprétation aux faciès de fissuration observés lors de l'excavation de galeries de stockage à grandeur profondeur. Dans un premier temps, un modèle géométrique idéalisé pour des fissures est justifié. Cette étude préalable permet à la fois d'acter la nature fermée des fissures susceptibles de nucléer ainsi que d'utiliser le critère mixte en statuant sur le bienfondé d'une étude bidimensionnelle équivalente. En précisant la notion de longueur de nucléation stable et en s'inspirant des outils classiques de la mécanique linéaire de la rupture, nous établissons dans un second temps notre propre critère de nucléation. Pour ce faire, nous proposons, grâce à des modélisations micromécaniques, de revisiter l'approche thermodynamique usuelle dans un cadre adiabatique afin d'être davantage en accord avec la brutalité du phénomène étudié. Par la suite, nous mettons aux points différentes méthodes permettant d'utiliser le critère suggéré. Enfin, le critère est mis en œuvre dans le cadre de la problématique industrielle initiale pour essayer de donner une justification à l'anisotropie des géométries des fissures observées, et ce, en prenant en compte les différentes directions de forage de l'ouvrage. Dans un deuxième temps, nous proposons de nous intéresser, de manière plus prospective, aux problématiques liées aux modèles locaux d'endommagement. Une attention particulière est accordée à la notion de stabilité des états d'équilibre. Ainsi, une adaptation du critère de Hill est proposée et des différences quantitatives sont soulignées lorsqu'un cadre adiabatique, nous paraissant plus justifié, est pris en compte. Enfin, le problème de la localisation de l'endommagement dans un problème unidimensionnel est abordé / Starting from an industrial issue that is cracks onset when excavating a tunnel, this work aims at giving new insights into a more general problematic which is the initiation of macroscopic cracks. Thus, general and theoretical results are established. Nevertheless, they are applied in order to give some explanations to the excavation-induced fractures observed around the deep geological repository. To begin with, an idealised geometrical model is detailed and justified. Thanks to this preliminary work, we establish that the cracks that should be taken into account are closed ones. In addition we show that it's possible for small cracks length to work on an equivalent bidimensionnal problem. This last result allows us to apply the mixed criteria. After giving the definition of a stable crack initiation length we define our own criteria to predict cracks onset. In order to do so and in order to be more in adequacy with the caracter brutal of a crack initiation, we offer through a micromecanic modelisation to deploy the usual thermodynamic approach in an adiabatic context. Different methods to compute the key quantity which is the incremental energy released rate are then built. Finally, the criteria is applied to give some justifications to the anisotropic geometry of the excavation-induced fractures. In a second part of this work, we focuse on the problematics tied to the local damage models. For instance, the notion of stability for an equilibrium state is discussed. Hill's stability critera is adapted to damage problems. Once again, it seems that an adiabatic context is more suited and the differences implied are emphasized. To conclude, we offer to investigate the localisation issue in one dimensionnal problems

Thèse doctorat : Génie Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 161-174.

Th. 3e cycle--Phys. des matér.--Lille 1, 1979. N°: 798.

La rupture des matériaux quasi-fragiles, tels que les céramiques ou les bétons, peut être représentée schématiquement par la succession des étapes de nucléation et de coalescence de micro-fissures. Modéliser ce processus de rupture est un enjeu particulièrement important lorsque l'on s'intéresse à la résistance des structures en béton, en particulier à la prédiction de la perméabilité des structures endommagées. La démarche choisie est une vision multi-échelle où le comportement global est caractérisé par la mécanique de la rupture, et le comportement local représenté par la méthode des éléments discrets. Le modèle représente la fissuration par des grandeurs généralisées, qui seront définies dans le cadre de la mécanique de la rupture. Afin de prendre en compte l’aspect non linéaire de la fissuration dans les matériaux quasi-fragiles, la cinématique usuelle de la mécanique de la rupture est enrichie par l’ajout de degrés de libertés supplémentaires chargés de représenter la part non linéaire du champ de vitesse. L'évolution du comportement est alors condensé par l'évolution de facteurs d'intensité. Le modèle proposé permet de prédire le comportement lors de chargements de mode mixte I+II proportionnel et non-proportionnel. Enfin, une campagne d'essais visant à caractériser le comportement en fissuration du mortier à été réalisée. Les résultats obtenus montrent un rôle important de la fissuration par fatigue. La méthode de changement d'échelle a également été appliquée sur les champs de vitesse en pointe de fissure, confirmant la représentation du comportement en pointe de fissure par une cinématique enrichie. / Fracture in quasi-brittle materials, such as ceramics or concrete, can be represented schematically by series of events of nucleation and coalescence of micro-cracks. Modeling this process is an important challenge for the reliability and life prediction of concrete structures, in particular the prediction of the permeability of damaged structures. A multi-scale approach is proposed. The global behavior is modeled within the fracture mechanics framework and the local behavior is modeled by the discrete element method. An approach was developed to condense the non linear behavior of the mortar. A model reduction technic is used to extract the relevant information from the discrete elements method. To do so, the velocity field is partitioned into mode I, II, linear and non-linear components, each component being characterized by an intensity factor and a fixed spatial distribution. The response of the material is hence condensed in the evolution of the intensity factors, used as non-local variables. A model was also proposed to predict the behavior of the crack for proportional and non-proportional mixed mode I+II loadings. An experimental campaign was finally conducted to characterize the fatigue and fracture behavior of mortar. The results show that fatigue crack growth can be of significant  importance. The experimental velocity field determined, in the crack tip region, by DIC, were analyzed using the same technic as that used for analyzing the fields obtained by the discrete element method showing consistent results.

La fissuration à chaud est un problème récurrent et critique pouvant mener à des défaillances lorsque les pièces formées sont soumises à diverses sollicitations dans leurs conditions d'utilisation comme dans le secteur automobile. Cette étude permet d'une part de valider la géométrie d'un moule destiné à évaluer la susceptibilité à la fissuration à chaud d'alliages d'aluminium moulés avec cette technique et d'autre part de définir un nouveau critère permettant d'expliquer la cause principale de l'apparition de fissuration à chaud. La fissuration à chaud ne se produit seulement lorsque le semi-solide se situe dans son intervalle de fragilité situé entre la fraction critique de solide et le point de rigidité de l'alliage. Un alliage avec une forte susceptibilité à la fissuration à chaud (Al-1%mCu) a été comparé avec un alliage ayant une plus faible fréquence d'apparition de fissure (Al-5%mCu). L'analyse par éléments finis opérée avec le logiciel ABAQUS/Explicit a permis de montrer que la pression hydrostatique est le facteur permettant d'expliquer l'apparition de fissurations à chaud et lorsqu'elle atteindrait une valeur critique de -0.1 MPa, les porosités prendraient tellement d'expansion qu'elles se propageraient sous la forme d'une fissure dans le semi-solide. La valeur de la pression hydrostatique critique dépend donc de la fraction critique de solide, du taux de refroidissement, de la quantité d'hydrogène dissout dans le liquide, de la microstructure et des contraintes de traction. Cette théorie peut ainsi être généralisée à tous les alliages d'aluminium. / Hot tearing is a critical problem which occurs very often during solidification process and can lead to failure when the part is exposed to different stresses like automotive field. First, the geometry of the mold allowing the hot tearing susceptibility study for aluminium alloys used in High Pressure Vacuum Die Casting technic has been verified. Then, a new criterion is proposed to explain hot tearing arrival and its propagation into the semi-solid. Hot tearing occurs only during a weakness interval of temperature depending on the cooling rate, the microstructure, and the solid fraction of the alloy. An alloy with a high hot tearing sensitivity (Al-1%wtCu) is compared with another alloy with a smaller hot tearing sensitivity (Al-5%wtCu). Finite Element Analysis were performed with the software ABQUS/Explicit to prove that hydrostatic pressure is the criterion allowing to explain hot tearing formation and when the hydrostatic pressure is more negative than the critical value of -0.1MPa, porosities can grow up and propagate it into the semi-solid with the shape of a tear. In this case, the value of the critical hydrostatic pressure depends on the critical solid fraction, the microstructure, the cooling rate, dihydrogen concentration dissolved in the liquid fraction and the tractions stresses. This theory can be applied to all of the aluminium alloys.

Le retrait du béton ne peut généralement se manifester librement et puisqu’il existe de multiples éléments de restriction dans les ouvrages neufs et réparés, les efforts induits peuvent conduire à la fissuration du béton. Les conséquences de la fissuration due au retrait restreint des ouvrages en béton sont multiples, telles qu’une détérioration précoce par la migration facilitée des agents agressifs et une augmentation des coûts de maintenance. Un moyen de mitiger la fissuration due au retrait gêné est d’utiliser des liants ou agents expansifs afin de fabriquer des bétons à retrait compensé (BRC). De nouvelles méthodes de caractérisation volumétrique des bétons à retrait compensé ont été développées. Une procédure d’essai annulaire inspirée d’une procédure normalisée de retrait restreint (AASHTO T334) a été mise au point. Au lieu d’avoir un anneau restrictif gênant au cœur la contraction d’une éprouvette annulaire en béton, l’anneau restrictif est externe afin de restreindre exclusivement le gonflement des bétons expansifs. Deux méthodes d’essai de retrait libre complémentaires ont de plus été développées. Trois types d’agents expansifs ont été étudiés, à différents dosages: un à base de sulfoaluminate de calcium (type K), un deuxième à base de CaO (type G) et un dernier à base de MgO (appelé type MgO). Certaines formulations ont intégré un adjuvant réducteur de retrait (ARR). Les mélanges de bétons ont été préparés à deux rapports E/L, 0,40 et 0,50. Les résultats obtenus montrent que l’essai annulaire d’expansion gênée permet de bien capturer l’évolution du comportement volumétrique des bétons à retrait compensé en phase d’expansion et de retrait, jusqu’à l’obtention d’un bilan déformationnel nul. À partir des résultats obtenus, il a été observé que le comportement volumétrique des BRC en phase de mûrissement et de séchage est influencé par le dosage et le type d’agent expansif, de même que par le rapport E/L. / Shrinkage of concrete cannot usually occur freely, and because there are multiple sources of restraint in both new and repaired infrastructures, stresses are induced and can eventually lead to cracking. The consequences of concrete cracking due to restrained shrinkage are potentially harmful, notably by facilitating the migration of aggressive agents. One way to mitigate cracking due to restrained shrinkage is the use of expansive binders or components in order to make shrinkage compensating concretes. New methods for characterizing the volumetric behaviour of shrinkage compensating concretes have been developed. A testing method inspired of an existing restrained shrinkage ring test procedure (AASHTO T334) has been developed. Instead of having an inner ring restraining the shrinkage of a concrete annulus, the restrictive ring is external, thus restraining the swelling of the expansive material. Moreover, two complementary free shrinkage testing methods have been developed. Three expansive systems have been studied, at different rates of addition: a calcium sulfoaluminate-based expansive system, a CaO-based expansive system, and a MgO-based expansive system. Some formulations have integrated a shrinkage reducing agent. The mixtures were prepared for two w/cm values, 0.40 and 0.50. The experimental data show that the expansion restraint ring test can capture adequately the volumetric behaviour of ShCC’s in the expansive and shrinkage phases, up to the point of “zero net strain”. From the test results, it could be concluded that the volumetric behaviour of ShCC’s in both the curing and drying phases is influenced by the dosage and type of expansive component, as well as the w/cm value.

La thèse qui fait l'objet de ce mémoire s'est déroulée dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire et un groupe industriel. Elle traite de deux thèmes reliés par la problématique de l'utilisation de matéiaux cellulaires métalliques dans la construction. Les matériaux alvéolaires sont très appréciés pour leur propriété d'absorption d'énergie, qui est principalement caractérisée par leur domaine de résistance. Nous proposons un modèle analytique rigoureux, basé sur des techniques d'homogénéisation, permettant de prédire ce domaine de résistance pour une géométrie quelconque de structures cellulaires périodiques. Après validation, nous utilisons ce modèle pour étudier l'influence de défauts d'uniformité et de symétrie de distribution de la matière le long des parois des cellules. Ces travaux menés sur des cellules bidimensionnelles et tridimensionnelles conduisent à conclure que la non-uniformité modifie considérablement la taille et la forme du domaine de résistance, mais que la non-symétrie a une incidence plus faible. La fissuration réflective est une dégradation caractéristique des chaussées semi-rigides. Elle est due à la propagation jusqu'à la surface des fissures de retrait des assises traitées aux liants hydrauliques. Parmi les différents procédés existants pour retarder cet endommagement, nous nous intéressons aux solutions de type interfaces, souples ou rigides, insérées entre les assises et la couche de roulement. Lorsqu'elles sont rigides, elles se présentent sous forme de grilles et permettent de renforcer la couche supérieure puis de ponter les fissures. Nous avons mis en évidence qu'il était nécessaire de développer un essai à une échelle intermédiaire par rapport aux tests existants. Nous avons conçu cet essai en se basant sur la reproduction dans l'éprouvette, de variations de fonctions particulières calculées dans une chaussée.

Cette thèse a permis d'étudier la perméabilité du béton sous conditions thermiques et hydriques variables, ainsi que l'effet de fissuration. Nombreux essais (mesures de saturation et perméabilité, essai de compressions uniaxiales et triaxiales et hydrostatiques) ont été menés afin d'évaluer l'influence de la température et de la saturation sur le comportement hydraulique du béton sain et microfissuré. En parallèle, un dispositif de mesure de la perméabilité sur béton macro fissuré permet d'étudier le comportement d'une macro-fissure de béton confinée et soumise à écoulement de gaz sec ou l'air très humide à différentes températures. Les essais mécaniques multiaxiaux sont couplés aux mesures de perméabilité sur béton sain et micro-fissuré par gel-dégel, qui permet d'évaluer la perméabilité sous charge déviatorique et l'effet de préfissuration sous contrainte. Nous avons également effectué un essai de perméabilité relative du béton en fonction de la saturation en eau, soumis à la dessiccation ou à la resaturation, en conditionnant par les différentes humidités relatives imposées