Influence of crack opening, aggregates size and volume fraction on hydro-mechanical properties of concrete in a Brazilian splitting test : 3D meso-macro scale modeling and experimental work
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Abstract EN:
Permeability is a parameter that may indirectly influence the durability of concrete structures by governing the rate of penetration of aggressive substances responsible for degradation under a pressure gradient. The aim of this thesis is to study the interaction between the crack opening and the transfer of fluids in concrete of the Brazilian splitting tensile test (BSTT). Herein, the influence of aggregates size and volume fraction on hydro-mechanical properties of concrete is investigated. This study consists of two parts: the numerical and the experimental one. The first one focuses on the meso-scale modeling of a heterogeneous material like a concrete, which may be characterized by two features: multi-phase behavior and 3D crack propagation. The numerical study deals therefore with the coupling between crack opening and gas permeability according to a developed hydro-mechanical model at a meso-scale. The objective of the second, experimental part, is to provide data for numerical models and to validate the latter. This work is carried out on mortar specimens with 3 different aggregate sizes, submitted to gas transfer during a BSTT. The numerical meso-scale model is based upon a 3D lattice approach to represent the heterogeneity of the material and the failure mechanism of concrete. This model considers concrete as a two-phases material in which aggregates melt within a cement paste. Because a non-adapted meshing process was used to mesh the microstructure, a weak discontinuity was introduced in the first enhancement of the kinematics. The second enhancement of kinematics introduced here is the displacement discontinuity (strong) to represent crack opening (discontinuous displacement-field). The hydro-mechanical model represents the transport of fluids (gases) through the concrete, depending on Darcy's law for a uncracked section (porosity) and Poiseuille's law for a cracked section (laminar flow). In this model, the interaction between the crack opening, obtained from the mechanical model (meso-scale), and the gas permeability is investigated. The experimental work is presented for the validation of the hydro-mechanical model. The numerical results show good agreement with some previous experimental and theoretical studies.
Abstract FR:
La perméabilité influe indirectement sur la durabilité des structures en béton. Elle gouverne le taux de pénétration des agents agressifs, responsables de dégradations, sous un gradient de pression. Ce travail a pour but l’étude des interactions entre l’ouverture des fissures et le transport des fluides dans le béton, soumis à un essai Brésilien de traction indirect par fendage. Cette étude est composée de deux parties : une numérique et une expérimentale. La première concerne la modélisation des matériaux hétérogènes, tels que le béton, et met en évidence ses deux particularités : l’aspect multiphasique du matériau et la propagation 3D de fissures. Ainsi, nous proposons un couplage entre l’ouverture de fissure et la perméabilité au gaz selon un modèle hydromécanique à l’échelle mésoscopique. L’objectif de la deuxième partie expérimentale est de fournir des données pour des modèles numériques et de les valider ainsi. Ce travail est réalisé sur des éprouvettes de mortier avec 3 différents tailles de granulat, soumises au transfert de gaz au cours du chargement par l’essai Brésilien. Le modèle numérique mésoscopique, employé dans cette étude, est basé sur une approche tridimensionnelle pour représenter l’hétérogénéité du matériau et les mécanismes de rupture du béton. Ce modèle considère le béton comme un matériau bi-phasique où les granulats sont fondus dans la pâte du ciment. Afin de pallier aux hétérogénéités du matériau et l’emploi du maillage non-adaptatif, une faible discontinuité a été introduite dans le premier enrichissement de la cinématique. Le deuxième enrichissement de la cinématique introduite ici est la discontinuité du déplacement (forte) afin de représenter l’ouverture de la fissure (champ du déplacement discontinu). Le modèle hydromécanique représente le transport du fluide (gaz) dans le béton par l’intermédiaire de la loi de Darcy pour la section non fissurée (porosité) et par la loi de Poiseuille pour la section fissurée (flux laminaire). Dans ce modèle, une interaction entre l’ouverture de fissure, obtenue par le modèle mécanique (mésoscopique), et la perméabilité du gaz est considérée. Le travail expérimental effectué est présenté pour la validation du modèle hydro-mécanique numérique proposé. Les résultats de simulations numériques sont en accord avec des travaux expérimentaux et théoriques précédents.