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

Déformations Thermiques du Béton: modélisation prédictive pour la conception sur mesure et l'adaptation des structures pour la l'énergie et l'enveloppe des bâtiments

Les stratégies de modélisation qui peuvent décrire la réponse thermique des matériaux à base de ciment à partir de la physique sous-jacente représenteront une avancée dans le domaine en renforçant la confiance dans les prédictions de la performance et de la durabilité des matériaux cimentaires. De plus, les connaissances issues de la modélisation peuvent être utilisées pour faire avancer la conception de matériaux à base de ciment aux propriétés thermiques sur mesure.

Fournir modèles des propriétés thermiques de matériaux cimentaires qui sont informés par les phénomènes physiques pertinents et qui peuvent être utilisés dans la pratique de l'ingénierie.

Les questions critiques concernant le comportement thermique des matériaux à base de ciment restent sans réponse. En particulier, les origines physiques des aspects suivants doivent encore être examinées:<br />1. Concernant le coefficient d'expansion thermique (CTE), les matériaux à base de ciment présentent au moins deux comportements non triviaux: (i) le CTE est une fonction non monotone de l'humidité relative, atteignant une valeur maximale à environ 70% HR; et, (ii) les CTE atteignent souvent une valeur minimale dès les premiers jours.<br />2. La capacité thermique effective des matériaux hétérogènes devrait être la moyenne des capacités thermiques de toutes les phases pondérées par leurs fractions (en volume ou en masse), c'est-à-dire décrites par une loi de mélange. Cependant, les estimations de la capacité thermique des matériaux à base de ciment utilisant les lois des mélanges ne sont pas en accord raisonnable avec les données expérimentales.

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.

Coordination du projet

Tulio HONORIO DE FARIA (Laboratoire de Mécanique et Technologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LMT Laboratoire de Mécanique et Technologie

Aide de l'ANR 284 040 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2020 - 48 Mois

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