Contribution to numerical modeling of damage and cracking in cement-based materials under mechanical loading, corrosion and drying shrinkage

Les matériaux cimentaires sont largement utilisés dans divers ouvrages d’ingénieur. Ils sont soumis à des processus multi-physiques tels que la charge mécanique, le séchage et la dessiccation, les changements de température, la corrosion, etc. Ces matériaux contiennent également des hétérogénéités multi-échelles telles que des pores et des inclusions. Les propriétés mécaniques macroscopiques de ces matériaux sont intrinsèquement affectées par l'évolution microstructurale. Parmi d'autres aspects, l’endommagement dû à la fissuration est un mécanisme essentiel de la rupture des matériaux cimentaires. Un aspect essentiel pour la modélisation du processus de rupture progressive est la description de la transition entre l’endommagement diffus (microfissures) et les fissures localisées. Dans cette étude, nous avons adopté la méthode de champ de phase à cette fin. La formulation de base de cette méthode est d'abord rappelée dans la thèse. Nos contributions sont ensuite principalement composées de trois parties.La première partie est consacrée à l'étude de la déformation et de l'endommagement du béton armé sous l'effet du processus de corrosion de l'acier. Deux nouveaux essais de laboratoire sont d'abord présentés, permettant respectivement la caractérisation de l'expansion du produit de corrosion et l'estimation des propriétés élastiques locales du produit de corrosion. Le processus d'endommagement est ensuite couplé à la cinétique de la corrosion chimique. Les essais de laboratoire sont simulés en utilisant la méthode du champ de phase. L'évolution des déformations, des contraintes et des dommages induits est étudiée et analysée.Dans la deuxième partie, l'endommagement et la fissuration du béton dus au retrait de séchage sont étudiés. Un grand nombre d'études ont été rapportées mais la plupart d'entre elles étaient limitées à une configuration bidimensionnelle. Dans notre travail, nous avons réalisé des simulations tridimensionnelles à l’aide de la méthode de champ de phase d'échantillons de béton soumis à un processus de séchage. La distribution des inclusions est basée sur des images tomographiques d'échantillons réels. L'évolution du champ d’endommagement et la propagation des zones fissurées sont analysées. Les effets de la distribution spatiale des inclusions sont également étudiés par des comparaisons entre les simulations 2D et 3D.Les matériaux cimentaires sont également des milieux poreux et présentent une déformation plastique dans la pâte de ciment. Dans la troisième partie, nous nous intéressons à l'étude de l'effet des pores et de la déformation plastique sur le processus de fissuration. Dans ce but, un critère plastique macroscopique issu de l'homogénéisation non linéaire est d'abord présenté. Une série de simulations numériques sont réalisées. Il s'avère que le processus de fissuration est significativement affecté par la distribution spatiale des pores et la déformation plastique de la matrice solide.Cement-based materials are widely used in various engineering structures. They are subjected to multi-physical processes such as mechanical loading, drying and desiccation, temperature change, corrosion etc. These materials also contain multi-scale heterogeneities such as pores and inclusions. Macroscopic mechanical properties of such materials are inherently affected by micro-structural evolution. Among other aspects, damage due to cracking is an essential mechanism of failure of cement-based materials. The key issue for modeling progressive failure process is the description of transition from diffuse damage (micro-cracks) to localized cracks. In this study, we have adopted the phase-field method for this purpose. The basic formulation of this method is first recalled in the thesis. Our contributions are then mainly composed of three parts.The first part is devoted to the study of deformation and damage in reinforced concrete due to steel corrosion processes. Two new laboratory tests are first presented, respectively allowing the characterization of corrosion product expansion and the estimation of local elastic properties of corrosion product. The damage process is then coupled with chemical corrosion kinetics. The laboratory tests are simulated by using the phase-field method. The evolution of deformation, stress and induced damage is investigated.In the second part, the damage and cracking of concrete due to drying shrinkage is investigated. A large number of studies have been reported but most of them were limited to two-dimensional configuration. In our work, we have performed three-dimensional phase-field simulation of concrete samples subjected to drying process. The distribution of inclusions is based tomographic images of real samples. The evolution of damage field and the propagation of cracked zones are analyzed. The effects of spatial distribution of inclusions are also investigated through comparisons between 2D and 3D simulations.Cement-based materials are also porous media and exhibit plastic deformation in cement paste. In the third part, we are interested in study the effect of pores and plastic deformation on cracking process. For this purpose, a macroscopic plastic criterion issued from nonlinear homogenization is first presented. A series of numerical simulations are performed. It is found that the cracking process is significantly affected by the spatial distribution of pores and plastic deformation of solid matrix