This project was undertaken to determine the effect of various type of lightweight coarse aggregates (LWCA) on engineering properties, durability, autogenous, drying and restrained shrinkage of SCC made with and with or without lightweight sand (LWS) used for internal curing. Given the mix design of SCC (high volume of paste), high degree of autogenous shrinkage can increase risk of early-age cracking of SCC subjected to restrained shrinkage. Shrinkcage of repair materials can be restrained by existing concrete and reinforcement. The risk of cracking of SCC can be high given the high elastic modulus of the concrete and its lower degree of stress relaxation at early age. With the process of hydration, SCC with low W/B ratio can have high degree of autogenous shrinkage. Lightweight coarse aggregate (LWCA) are water-saturated materials that provide a dispersed source of water within the mass of the concrete located very close to the cement particles. Better cement hydration can be obtained with lower development of self-desiccation. Given the morphology of the aggregate surface, the presence of water in the porous structure of the aggregate, and the compatibility of elastic modulus of LWCA and that of the cement paste, lightweight aggregate can reduce the risk of microcracking at the interfacial transition zone that can be present initially in conventional concrete as well as microcracking that can develop during service life due to repetitive structural loading, cycles of wetting and drying and freezing and thawing. The project was divided into three parts : evaluation of frost durability of SCC made with various types of LWCA ; evaluation of effect of type and dosage of LWCA on SCC performance ; and evaluation of effect of a shrinkage reducing admixture (SRA) and an expansive agent (EA) on lightweight SCC. All lightweight SCC exhibited excellent frost durability and mixtures made with 20% LWS replacement had greater resistance to de-icing salt scaling than those without LWS. Incorporation of LWCA between 25% and 50% led to decrease in modulus of elasticity and compressive strength. The use of LWCA led to an increase in total creep function. The use of LWS and LWCA resulted in significant decrease in total and autogenous shrinkage. The use of LWCA led to a decrease in total shrinkage between 25% and 75%, depending of the use of LWS, the type and rate of replacement of LWCA. Thus, SCC made with LWS and LWCA exhibited longer elapsed time before cracking compared to similar concrete prepared without any LWS and LWCA. The estimated time to cracking ranged from 4 days for the reference concrete without LWA to 42 days for the mixture prepared with 50% LWCA and 20% LWS.

Résumé : L’auto-cicatrisation des fissures des matériaux cimentaires présente un intérêt important pour améliorer leur durabilité (propriétés de transfert par exemple). L’impact du laitier de haut-fourneau sur ce phénomène a été peu étudié bien qu’il ait été observé sur des ouvrages du Génie Civil. Dans cette étude, la cinétique et l’amplitude de l’auto-cicatrisation ont été suivies par des essais non destructifs : la tomographie aux rayons X et la perméabilité à l’air, pour une fissuration créée à 7 jours et à 28 jours. Les résultats montrent que le laitier de haut-fourneau possède un potentiel d’auto-cicatrisation intéressant pouvant dépasser les résultats obtenus pour les formulations de référence sans laitier. Ce bon potentiel dépend des caractéristiques physico-chimiques des matériaux brutes et du potentiel d’hydratation de la formulation au cours du temps. De plus pour suivre l’auto-cicatrisation, un nouvel essai a été mis en place afin de fissurer les éprouvettes de mortier par retrait gêné et d’étudier l’auto-cicatrisation d’une fissure naturelle. Cet essai s’est avéré efficace sur la formulation de référence. Une caractérisation des produits de cicatrisation par MEB-EDS témoigne de la formation de nouveaux produits dans les fissures et de l’impact important des conditions de stockage sur le type de produits formés: des C-S-H pour un stockage sous eau et des carbonates de calcium pour un stockage en chambre humide (CO2 + eau). Les résultats de migration aux chlorures de nano-indentation montrent que ces produits de cicatrisation possèdent de bonnes propriétés de durabilité et des propriétés mécaniques à l’échelle microscopique intéressantes (pour le carbonate de calcium). Enfin, une modélisation du phénomène d’auto-cicatrisation est proposée au moyen du code de calcul de géochimie PHREEQC. L’étude a révélé le potentiel intéressant de PHREEQC pour modéliser l’auto-cicatrisation et en faire un outil de prédiction du phénomène. / Abstract : Self-healing of cementitious materials presents great interest to improve the durability of concrete structure (transfer properties for example). The impact of blast-furnace slag on this phenomenon is not yet clear even if the self-healing of concrete with blast-furnace slag was observed in building sites. To understand the blast-furnace slag influence, non-destructive methods were used to follow self-healing: X-ray tomography and gas permeability test. All specimens were cracked at 7 days and 28 days. The results show that the blast furnace slag has an interesting self-healing potential that can exceed the reference formulation results. This good potential depends on the physico-chemical characteristics of the raw materials and the hydration potential of the formulation over time. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. This test has proven effective over the reference formulation.The SEM with EDS analysis showed the formation of new products in the crack and the impact of storage conditions on these products : C-S-H for specimens stored in water and calcium carbonate for specimens stored in a damp chamber (CO2 + water). Migration chlorures and nano-indentation tests results showed that self-healing products had interesting durability properties and micro-mechanical properties (for calcium carbonate). Finally, self-healing modelling is proposed by means of geochemistry PHREEQC calculation code. The study revealed interesting potential PHREEQC to model self- healing phenomenon and make it a of predictive tool.

La rupture à chaud, ou crique à chaud est un défaut majeur en solidification, qui conduit au rebut de nombreuses pièces ou demi-produits. Elle correspond à l'ouverture de criques en fond de zone pâteuse, c'est-à-dire dans les régions à haute fraction de solide (typiquement 0.9 et au-delà), lorsque ces régions sont soumises à des déformations favorisant la mise en traction des films liquides résiduels. Différents critères peuvent être trouvés dans la littérature pour diagnostiquer la fissuration à chaud. L'objectif de cette étude est d'évaluer leur capacité à prédire correctement l'apparition de ce type de défauts, et ce pour différents domaines d'application tels que la solidification en lingotière et la coulée continue de billettes et de brames. Pour cela, deux types d'essais différents ont été analysés avec le modèle thermomécanique par éléments finis THERCAST® dans lequel nous avons implanté une sélection de critères. Un nouveau dispositif expérimental de solidification sous contrainte (le dispositif Crickacier) a alors été développé et mis en œuvre au CEMEF pour les besoins de cette étude. Ce dispositif s'est révélé capable de faire apparaître des défauts similaires à ceux observés dans les procédés industriels, et ce dans des conditions identifiables et discriminantes. Sa modélisation thermomécanique a permis de mettre en valeur le critère le plus pertinent. L'application de cette méthodologie à un autre type d'essai, le cintrage de lingot en cours de solidification, pour lequel nous avons accès à des résultats existants à Arcelor Research sur plusieurs nuances d'acier, nous a permis de suggérer des améliorations à apporter à l'écriture du critère. Au final, nous avons proposé un nouveau critère directement adapté à une utilisation dans un code de simulation comme THERCAST.

Nous avons travaillé au cours de cette étude sur des plaques stratifiées en verre/époxy fabriquées à partir de préimprégnés pseudo-tissés. Ces composites sont sujets au délaminage et à la fissuration intralaminaire. L'étude se décompose en quatre grandes étapes. Tout d'abord, une campagne d'essais a été menée, au cours de laquelle les caractéristiques des endommagements intralaminaires transverses et leur cinétique d'évolution ont été déterminées. Cet endommagement présente beaucoup de points communs avec celui observé dans les matériaux non tissés. Toutefois, la structure tissée du matériau a des conséquences sur certaines de ces caractéristiques, en particulier sur sa cinétique d'évolution. Une deuxième campagne d'essais a été réalisée afin d'étudier le phénomène d'initiation du délaminage aux voisinages des bords. Dans ce but, une méthode d'observation optique innovante a été établie afin de pouvoir visualiser durant les essais les différents mécanismes de dégradation présents. Nous avons ainsi étudié l'influence de la fissuration intralaminaire et de la structure tissée sur le début du délaminage. En parallèle, ces endommagements ont été modélisés. Ainsi, un modèle de comportement à l'échelle mésoscopique, prenant en compte les dégradations intralaminaires, a été mis en place. Les effets dus à la refermeture incomplète des fissures a également été prise en compte dans le modèle. De plus, un critère d'initiation du délaminage a été établi. Le critère est construit à partir des composantes du vecteur contrainte de l'interface, moyennés sur une distance caractéristique. Enfin, une dernière phase a permis de valider le modèle et le critère sur des structures non trouées et trouées.

La fissuration en relaxation se développe au voisinage de certaines soudures en acier inoxydable austénitique lorsque celles-ci sont réchauffées à des températures supérieures à 450 °C. Cet endommagement intergranulaire intervient lorsque les zones affectées ne possèdent pas une ductilité suffisante pour relaxer les contraintes résiduelles liées au soudage. L'analyse de zones affectées en acier 316 (17Cr-12Ni-2.5Mo) a montré que celles-ci étaient fortement écrouies lors du soudage et que les fissures intergranulaires résultaient de la coalescence de micro-cavités similaires à celles observées en fluage. Une microstructure équivalente à celle des zones affectées a été reproduite par laminage pour trois aciers de type 316 possédant des teneurs en carbone et en azote différentes (316L, 316L(N), 316H). Des essais de traction, de fluage et de relaxation ont été réalisés à 550°C et à 600°C sur des éprouvettes lisses, entaillées et pré-fissurées prélevées dans ces coupons laminés ainsi que dans des coupons vierges. L'écrouissage entraîne un fort durcissement lié à l'effet direct de l'augmentation de la densité de dislocations et une chute de la ductilité qui n'est pas due à un changement de mécanisme de rupture mais à une augmentation de la cinétique d'endommagement intergranulaire. Cette fragilisation par écrouissage est telle que l'on est parvenu à reproduire la propagation de fissure en relaxation sur matériau écroui alors qu'elle reste très limitée sur matériau vierge. L'importance de l'écrouissage sur la fissuration en relaxation, déjà évoquée par Chabaud-Reytier (1999) à propos d'un acier inoxydable stabilisé au titane de type 321 (18Cr-10Ni-0.5Ti), concerne donc également les aciers non stabilisés de type 316 quelle que soit leur teneur en éléments interstitiels. A partir de mesures de la densité locale de micro-fissures et de calculs des champs mécaniques par éléments finis, un nouveau modèle d'endommagement intergranulaire a été identifié sur des éprouvettes entaillées en acier 316L(N) testées en fluage à 600°C. Ce modèle permet de rendre compte de l'effet fragilisant de l'écrouissage, en fluage comme en relaxation, et met en évidence l'importance du taux de triaxialité des contraintes sur la cinétique de l'endommagement intergranulaire. Le risque de fissuration en relaxation au voisinage d'une soudure peut alors être estimé à partir des champs de contraintes et de déformations résiduelles.

La réaction alcali-silice est une réaction endogène du béton qui peut contribuer à diminuer la durée de vie d'ouvrages coûteux. La modélisation est nécessaire pour pouvoir évaluer la durée de vie restante des ouvrages atteints. L'alcali-réaction provoque un gonflement du béton dû à une fissuration microscopique sous pression de produits de réaction qui sont des gels gonflant par absorption d'eau. Si le béton est chargé, la fissuration microscopique se développe en fonction du chargement local du béton, ce qui induit une anisotropie de comportement et de déformation du béton. L'objectif de notre travail est de simuler, à partir d'hypothèses simples sur les mécanismes réactionnels en jeu, pour une classe de granulats à réactivité rapide, le déroulement de la fissuration du béton au niveau microscopique, de façon à estimer les déformations et les propriétés mécaniques du béton attaqué. Nous utilisons pour cela une description micromécanique du béton qui nous permet de calculer les propriétés mécaniques et les déformations en fonction de l'état de fissuration, et un critère énergétique de fissuration de façon à faire évoluer l'état de fissuration. Le fonctionnement du modèle est testé sur de nombreux cas qui font apparaître que l'utilisation d'un critère de rupture énergétique en micromécanique est bien adaptée à l'alcali-réaction. L'identification des paramètres du modèle sur des essais en laboratoire donne de bons résultats pour des chargements en dessous de 10 MPa, mais conduit à des estimations très élevées des énergies mécaniques. Le modèle a en effet une tendance à surestimer l'anisotropie du gonflement qui est compensée par l'augmentation de l'énergie surfacique de fissuration

L'enjeu de cette thèse était de proposer un modèle de prévision de la fissuration (trajet et vitesse) par fatigue sous chargement complexe, afin de définir les pas d’inspection de structures industrielles. Dans le cas des métaux, il est reconnu que la plasticité au voisinage de l'extrémité de la fissure a des effets majeurs sur la vitesse et la direction de fissuration. La simulation par éléments finis non-linéaire permet de comprendre et de modéliser ces effets, mais le traitement de problèmes industriels par cette méthode (fissures tridimensionnelles se propageant pendant plusieurs millions de cycles en non-linéaire) reste toujours hors de portée. Pour réduire les temps de calcul, une démarche de changement d'échelle a été mise en place, afin d'identifier un modèle de comportement élasto-plastique en mode mixte non-proportionnel, non pas local, mais relatif à la région en pointe de fissure. Ce modèle, qui condense tous les effets liés à la plasticité confinée en pointe de fissure, peut alors être utilisé dans un calcul de structure linéaire pour simuler la fissuration par fatigue en mode mixte, à amplitude variable, sous des millions de cycles en quelques minutes. La méthode et les hypothèses de changement d'échelle, d'abord appliquées à des simulations numériques, ont ensuite été validées expérimentalement sur des éprouvettes cruciformes fissurées en s’appuyant sur la mesure optique du champ de déplacement à l’extrémité de la fissure. Enfin, une campagne d’essais, visant à caractériser le comportement en fissuration de l’acier S355NL en fatigue, a été réalisée. Les résultats expérimentaux et de simulation sont en bon accord en mode I et en mode mixte. / Predicting the growth of fatigue cracks under multi-axial loading conditions still remains very difficult because of the complexity of the crack path and because of history effects induced by plasticity. This thesis is devoted to the modeling of the effect of mixed mode plasticity on fatigue crack growth. A model was developed using a multi-scale approach from elastic-plastic finite element computations, it was validated using experimental measurements of the velocity field at crack tip by digital image correlation in I+II mixed mode loading conditions. The mode I and mode II components of the velocity field (experimental or from FE simulations) were extracted using symmetry and partitioned into elastic and plastic parts. With this approach, the velocity field is described using only four degrees of freedom, 2 for elasticity and 2 for plasticity. A criterion was proposed to determine the yield surface, and it was shown that the experimental yield surface agrees well with the theoretical one. The plastic flow direction was also measured in non-proportional loading conditions are consistent with the hypotheses of the model. The crack growth rate and direction is then calculated as function of the plasticity rate, which makes possible the use of this simplified model in a linear finite element code to predict 3D fatigue crack growth in mixed mode non-proportional conditions. In mode I, the model was successfully compared with a set of fatigue crack growth experiment under variable amplitude conditions. In mixed mode conditions, the crack growth direction is correctly predicted.

Cette thèse porte sur la fissuration par fatigue sous chargement variable en mode mixte I+II+III et sur les effets d'histoire induits par la plasticité confinée et les contraintes internes. Les essais réalisés montrent qu’il existe des effets antagonistes d’histoire du chargement à courte distance et à longue distance, que la forme de la séquence de chargement est cruciale et, par comparaison, que les effets de contact et de frottement sont d’importance moindre. Les contraintes internes jouent un rôle majeur sur la vitesse de fissuration par fatigue et sur le mode de fissuration. Une démarche a été mise en place pour étudier le comportement élasto-plastique d’une section représentative du front de la fissure par éléments finis. Pour ne retenir des calculs réalisés que le minimum d’information nécessaire, on se donne une approximation cinématique, le champ de vitesse est partitionné en composantes de modes I, II, III élastiques et plastiques, chaque composante étant caractérisée par un facteur d’intensité et une distribution spatiale fixe. Les calculs réalisés ont permis de sélectionner 7 trajets de chargement différents en mode I+II et en mode I+II+III, qui présentent les mêmes amplitudes pour chaque mode, les mêmes maxima, minima et valeurs moyennes. Ces trajets, censés être équivalents au sens des critères de rupture usuels, ne le sont pourtant pas lorsqu’on considère le comportement élasto-plastique du matériau et conduisent à des vitesses et des trajets de fissuration expérimentaux très différents les uns des autres. Les simulations numériques et la modélisation simplifiée sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les calculs réalisés ont également permis de discuter le rôle des phases de chargement en mode III sur la fissuration. Le comportement du matériau étant non-linéaire, la direction du chargement nominal ne coïncide pas nécessairement avec celle de l’écoulement plastique. Ajouter une phase de chargement en mode III peut, dans certains cas, modifier très significativement le comportement de la fissure (direction de propagation, vitesse de fissuration, écoulement plastique). / This thesis deals with fatigue crack growth in non-proportional variable amplitude mixed mode I + II + III loading conditions and analyses the effects of internal stresses stemming from the confinement of the plastic zone in small scale yielding conditions. The tests showed that there are antagonistic long-distance and short-distance effects of the loading history on fatigue crack growth. The shape of loading path, and not only the maximum and minimum values in this path, is crucial and, by comparison, the effects of contact and friction are of lesser importance. Internal stresses play a major role on the fatigue crack growth rate and on the crack path. An approach was developed to analyze the elastic-plastic behavior of a representative section of the crack front using the FEA. A model reduction technic is used to extract the relevant information from the FE results. To do so, the velocity field is partitioned into mode I, II, III elastic and plastic components, each component being characterized by an intensity factor and a fixed spatial distribution. The calculations were used to select seven loading paths in I + II and I + II + III mixed mode conditions, which all have the same amplitudes for each mode, the same maximum, minimum and average values. These paths are supposed to be equivalent in the sense of common failure criteria, but differ significantly when the elastic-plastic behavior of the material is accounted for. The results of finite element simulations and of simulations using a simplified model proposed in this thesis are both in agreement with experimental results. The approach was also used to discuss the role of mode III loading steps. Since the material behavior is nonlinear, the nominal loading direction does not coïncide with the plastic flow direction. Adding a mode III loading step in a mode I+II fatigue cycle, may, in some cases, significantly modify the behaviour of the crack (crack growth rate, crack path and plasti flow).

Les techniques de mesure de champs, et en particulier celles basées sur la Corrélation d’Images Numériques (CIN), sont matures et reconnues pour la détermination de déplacements d’objets quelconques, en deux ou trois dimensions. Ces travaux ont pour objet le développement d’essais et de techniques d’identification associées, en s’appuyant sur les méthodes de mesure par CIN, pour permettre l’évaluation des caractéristiques mécaniques d’un liner en titane T35, développé pour des applications spatiales. Des essais de traction uniaxiale sont tout d'abord utilisés pour déterminer le comportement élastoplastique du T35. Plusieurs méthodes d'identification sont comparées. En particulier, il est proposé d'étendre la corrélation d'image dite "intégrée" aux cas élastoplatiques. Cette méthode permet d'évaluer à la fois les déplacements du solide observé et les paramètres mécaniques des matériaux le constituant. Elle est comparée à une méthode de recalage de référence. L'étude se porte ensuite sur l'analyse de l'amorçage des fissures dans le liner. Les chargements cycliques du réservoir imposent à la tôle une déformation biaxiale cyclique en traction-compression de quelques pourcents, qui a été reproduite expérimentalement dans une machine multiaxiale. Cette partie a notamment nécessité le développement d’un essai triaxial à rapport de charge négatif sur tôle mince. Une estimation de la limite d'amorçage a été obtenue pour les niveaux de déformation visés. Enfin, la fissuration du liner a été étudiée par des techniques d'analyse dédiées. Certaines de ces techniques sont comparées quantitativement, afin d'étudier leurs capacités et limitations respectives. Des lois de propagation de type Paris ont été identifiées directement à partir d'images du voisinage de la fissure. / Field measurement techniques, and more particularly those based on Digital Image Correlation (DIC), are mature techniques for the determination of displacements of two or three-dimensional objects. The goal of this work is to develop test and associated identification DIC-based techniques to identify the mechanical behavior of a commercially-pure titanium liner, conceived for spatial applications. Uniaxial tensile teste are first used to identify the elasto-plastic behavior of this material. Several identification methods are compared. It is especially proposed to extend said "integrated" Digital Image Correlation to elasto-plastic cases. This methods allows to identify directly the displacement of the observed solid and the mechanical parameters of the constituting material. It is compared to a reference updating method. The crack initiation is then studied in this material. Some zones of the liner will be submitted to a plastic cyclic deformation, that has to be reproduced experimentally. A dedicated test has been conceived, allowing to apply a negative load ratio to the thin sheet. An estimation of the initiation limit has been obtained for this material. Finally, the crack propagation in the liner has been studied, using dedicated techniques. Some of these have been quantitatively compared, to study their respective capabilities. Paris' propagation laws have been identified directly from a set of raw images of the crack tip vicinity.

Lorsqu’une pièce mécanique est soumise à une sollicitation mécanique répétée dans le temps, elle risque de s’endommager après un certain nombre de cycles d’utilisation par amorçage de plusieurs fissures et propagation d’une fissure principale. C’est le phénomène d’endommagement par fatigue. La thèse traite plus particulièrement du possible endommagement de certains composants de centrales nucléaires par fatigue thermique. Contrairement à l’endommagement classique en fatigue mécanique où une fissure principale vient rompre la pièce, l’endommagement par fatigue thermique se traduit généralement par l’apparition d’un réseau de fissures surfaciques. Deux aspects sont traités dans la thèse. Le premier est l’étude expérimentale de la phase de fissuration multiple ou multifissuration en fatigue. Pour cela deux campagnes d’essais avec détection de la multifissuration par corrélation d’images numériques ont été menées. Ces campagnes concernent des chargements mécaniques uniaxiaux et équibiaxiaux de traction/compression sans contrainte moyenne. Ce travail a permis de suivre et d’observer l’évolution de différents réseaux de fissures à travers des sollicitations de type mécanique. Le second est la simulation numérique du phénomène d’endommagement en fatigue mécanique et thermique. Plusieurs types de modélisation sont utilisés (stochastique, probabiliste, éléments finis cohésifs). Les résultats expérimentaux ont permis d’identifier une loi d’amorçage multiple en fatigue et sont également confrontés aux résultats numériques. Cette confrontation permet notamment de montrer la pertinence de l’utilisation d’un modèle probabiliste analytique afin de retrouver des résultats statistiques sur la densité de fissures qui peuvent être amorcées en fatigue thermique et mécanique. / When a mechanical part is subjected to a repeated mechanical stress, it may be damaged after a number of cycles by several crack initiations and the propagation of a main crack. This is the phenomenon of fatigue damage. The thesis specifically deals with possible damage in some components of nuclear plants due to thermal fatigue. Unlike conventional mechanical fatigue damage where a main crack develops in the part, thermal fatigue damage usually results in the appearance of a network of cracks on its surface. Two aspects are discussed in the thesis. The first is the experimental study of fatigue multiple cracking stage. Two mechanical test campaigns with multicracking detection by digital image correlation were conducted. They involve uniaxial and equibiaxial mechanical loads in tension/compression with no mean stress. This work allows the evolution of different networks of cracks to be monitored and quantified through mechanical loadings. The second is the numerical simulation of the phenomenon of fatigue damage. Three types of models are used (i.e., stochastic, probabilistic, and cohesive elements). The experimental results have led to the identification of a multiple crack initiation law in fatigue, which is compared with the numerical results. This comparison shows the relevance of the use of an analytical probabilistic model to obtain statistical results on the density of cracks that can be initiated with thermal and mechanical fatigue loadings.