Déformations Thermiques du Béton: modélisation prédictive pour la conception sur mesure et l’adaptation – THEDESCO

Simulations moléculaires; Micromécanique, Analyse par éléments finis.

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Les principaux résultats attendus sont les suivants:
- Corrélation entre la composition, la (micro) structure et les propriétés thermiques des matériaux cimentaires infomée par l'échelle moléculaire.
- Un modèle du coefficent d'expansion thermique et de la capacité thermique des matériaux à base de ciment mis en œuvre sur un code ouvert FEM.
- Une base de données sur les propriétés thermiques des matériaux à base de ciment.

- Masara, F., Honorio, T., Benboudjema, F. (2023) Sorption in C-S-H at the molecular level: Disjoining pressures, effective interactions, hysteresis, and cavitation. Cement and Concrete Research 164, 107047. doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.107047

- Honorio, T., Masara, F., Benboudjema, F., 2021. Heat capacity, isothermal compressibility, isosteric heat of adsorption and thermal expansion of water confined in C-S-H. Cement 6, 100015. doi.org/10.1016/j.cement.2021.100015

- Abdolhosseini Qomi, M.J., Brochard, L., Honorio, T., Maruyama, I., Vandamme, M., 2021. Advances in atomistic modeling and understanding of drying shrinkage in cementitious materials. Cement and Concrete Research 148, 106536. doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106536

Comprendre les déformations thermiques des matériaux à base de ciment est essentiel pour garantir la performance des enveloppes de bâtiments et des infrastructures soumises à des charges thermiques. Les déformations thermiques sont reconnues comme l'une des principales causes de fissuration des matériaux à base de ciment. La prédiction des déformations thermiques repose sur une description précise des propriétés thermiques, à savoir le coefficient de dilatation thermique (CTE), la capacité calorifique (propriété liée à l'augmentation de la température d'un matériau lors du chauffage) et la conductivité thermique. Des analyses de sensibilité montrent que des variations relativement faibles de la capacité calorifique et du coefficient de dilatation thermique peuvent affecter de manière significative la réponse thermique des structures en béton. Pour les matériaux à base de ciment, ces propriétés sont dépendantes de la composition, de l’âge, de la température et de l'humidité relative (HR). Le but de ce projet est de fournir un modèle des propriétés thermiques des matériaux à base de ciment qui sont informés par les phénomènes physiques pertinents dans un cadre multi-échelle et qui peuvent être utilisés dans la pratique de l'ingénierie civile. Les applications visées sont les infrastructures en béton et les enveloppes de bâtiment en matériaux à base de ciment, soumises à des charges thermiques dans un environnement avec une humidité relative donnée. Nous nous concentrerons sur l’élucidation des origines physiques ainsi que sur la dépendance à la température et à l’humidité relative du CTE et de la capacité calorifique. Nous supposons que la prise en compte de la nature multi-échelles des matériaux à base de ciment est cruciale pour comprendre les déformations thermiques puisque les aspects clés du comportement thermomécanique des matériaux à base de ciment sont liés à des processus qui se produisent à la nanoéchelle. Pour aborder ce problème, nous proposons une stratégie combinant les simulations moléculaires, la micromécanique et l’analyse par éléments finis. En outre, une grande partie du projet sera consacrée à la collecte de données afin de créer une base de données sur les propriétés thermiques des matériaux à base de ciment, qui sera utilisée pour la validation du modèle en fonction de diverses conditions environnementales et de la composition des matériaux. Les simulations moléculaires sont adaptées pour évaluer le comportement de l’eau confinée au niveau des nanopores car elles permettent de quantifier les forces intermoléculaires associées aux phénomènes d’adsorption et de confinement. La micromécanique sera utilisée pour faire le pont entre l’échelle moléculaire et l’échelle de l’application industrielle de matériaux à base de ciment. Des simulations aux éléments finis seront utilisées pour étudier la déformation thermique et la fissuration à l'échelle macroscopique. Les résultats attendus de ce projet contribueront à réduire l’empirisme dans la modélisation thermo-hydro-mécanique du béton pouvant conduire à la conception de structures plus durables et résilientes adaptées aux spécifications de performance, à l’extension de la durée de vie des infrastructures vieillissantes existantes et à la réduction des coûts. de l'impact de l'utilisation de béton.