Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département des matériaux, Laboratoire des matériaux de construction LMC

Etude expérimentale des couplages viscoélasticité-croissance des fissures dans les bétons de ciment

Denarié, Emmanuel ; Huet, Christian (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2195.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    Viscoelasticity and crack growth govern the long-term deformability of concrete and thus its service behaviour and its durability. For low load levels, viscoelasticity behaves quasilinearly and crack growth is inactive. On the other hand, for high load levels, cracks grow and interact with viscoelasticity. Numerous authors have long demonstrated the influence of microcracking on creep qualitatively. Moreover, rate effects on the fracture behaviour of concrete are clear for low and high loading rates. Nevertheless, the mechanisms involved in these effects are not yet clearly determined. Cohesive crack approaches extended to time dependent parameters, give some elements of explanation, although without providing a general tool capable of explaining all the phenomena. The dissipative nature of crack growth and viscoelasticity naturally encourages one to model their couplings by means of an energybased approach to fracture. This is the meaning of the continuum thermodynamics of dissipative multicracked granular bodies developed by Huet (1997). This theoretical formalism puts the emphasis on the effect of viscoelasticity on the driving (reactive) part of the propagation criteria (energy release rate). The aim of this experimental research was to investigate coupling effects between viscoelasticity and crack growth in concrete. With this aim in view, 4 different types of fracture test have been performed on the same material (concrete with a maximum aggregate size of 8 mm), with a constant specimen geometry (rectangular wedge splitting specimens 20 by 20 by 10 cm). The first type of test consisted of performing a series of successive relaxations, at various increasing load levels, before, on and after the peak force, following the envelope of failure. Special attention was devoted to the influence of the control parameter ("active": with respect to displacements measured on the specimen, or "passive": crosshead displacement) and loading history. The results showed a progressive deviation from the linear viscoelastic behaviour starting from a load level of approximately 50 % of the peak force, before the peak. This deviation was significantly higher with crosshead control ("passive"). It depended on the loading history. After the peak, in "active" displacement control, relative relaxations tended to be similar whatever the load level. The displacement parameters (other than control) measured on the specimen or crosshead during relaxation, showed an evolution dependent on the control parameter. This effect was significant at the beginning of the relaxation and tended to disappear later. Furthermore, acoustic emissions could be detected at the beginning and during some relaxations, for high load levels (nearby peak force and after). The second type of test consisted of one or more successive creep levels up to eventual failure under sustained force. In certain cases, during creep levels leading to fracture, alternating secondary and tertiary creep with multiple concavity changes correlated with measured acoustic emissions could be observed. The tertiary creep leading to fracture developed over several minutes. Unstable sudden crack propagation was only seen at the end of the tertiary creep levels, accompanied by a sudden and very fast increase of the number of acoustic emissions. Moreover, during tertiary creep, an increase of the crack length measured on the specimen's surface by means of a conductive crack graphite gauge could be observed, correlated with the evolution of the creep displacements. The third type of test was performed under constant displacement speed (displacement measured on the specimen in the axis of the splitting force) with a range of speeds from 5 x 10-4 to 5 x 10-1 mm/minute. The results show a clear influence of the displacement speed on the response in terms of force-displacement curve, in the vicinity of the peak. The maximum force decreases with the displacement speed. On the other hand, the displacement at peak force was not significantly influenced by the displacement speed. Surface crack length measurements by means of a conductive graphite gauge enabled the determination of the surface crack speed as a function of the imposed displacement. The obtained surface crack speed depended quasi linearly on the imposed displacement speed. The fourth type of test, complementary to the former ones, was especially for the study of the evolution of internal micromechanical parameters during crack growth. Two wedge splitting specimens were equipped internally, near to the potential crack path with optical strain gauges (Bragg gratings). The internal strain measurements, revealed two zones of very different behaviour, with similar tends for the two specimens. Optical strain gauges close to the fracture plane (less than 5 mm from gauge axis) measured high strains (around 1000 με) significantly greater than the ultimate tensile strain of normal concrete (0.1‰ or 100 με) and mostly irreversible. At the contrary, optical strain gauges farther from the fracture plane (over 10 to 15 mm) measured strains that were always smaller than 100 με , and mostly reversible. Finally, two types of computer simulation (homogeneous materials) were performed in order to complement the interpretation of experimental results. A linear viscoelastic calculation, for a constant crack pattern, was used to illustrate quantitatively the progressive deviation from linearity observed in the experimental successive relaxations. A non-linear calculation of the propagation of a discrete crack with softening behaviour, in a linear elastic material, accurately predicted some of the strains measured with optical strain gauges during crack propagation. The experimental results demonstrated many indications of crack growth activity during creep as well as relaxation levels. These measurements confirm the significant contribution of propagation and coalescence of microcracks to the non-linear viscoelastic response of concrete. Indications of microcrack growth during relaxation can be explained by unstable propagation phenomena triggered by the small size of the microcracks. These phenomena could be amplified by viscoelastic effects of the redistribution of internal stresses in the heterogeneous structure of concrete. All the work performed clearly shows the need to complement macroscopic measurements such as the reaction force of a specimen or external displacements, with the measurement of micromechanical parameters in order to distinguish the contributions of the different active phenomena and of their coupling.
    Résumé
    La viscoélasticité et la croissance des fissures gouvernent la déformabilité à long terme du béton et donc son comportement en service et sa durabilité. Pour des niveaux de sollicitation bas, la viscoélasticité se comporte de manière quasi-linéaire et la microfissuration est inactive. Par contre, pour des niveaux de sollicitation élevés, la microfissuration se développe et interagit avec la viscoélasticité. L'influence de la croissance des fissures sur le fluage a été mise en évidence de manière qualitative par de nombreux auteurs. D'autre part, l'effet de la vitesse de sollicitation sur le comportement à la rupture du béton est manifeste pour des sollicitations dynamiques ou lentes. Pourtant, les mécanismes responsables de ces comportements ne sont pas encore clairement déterminés. Les approches de type fissure cohésive étendues au cas de paramètres dépendant du temps, donnent certains éléments de réponse sans toutefois fournir un contexte général permettant d'expliquer tous les phénomènes. La nature dissipative de la viscoélasticité et de la croissance de fissures incite naturellement à modéliser leurs couplages à partir d'une approche énergétique de la rupture. C'est le sens de la thermodynamique des milieux continus granulaires multifissurés dissipatifs développée par Huet (1997), qui fait plus particulièrement apparaître l'effet de la viscoélasticité sur la partie motrice du critère de rupture (taux de restitution d'énergie). L'objectif du travail de recherche présenté était de mettre en évidence expérimentalement les effets de couplages entre viscoélasticité et croissance de fissure dans les bétons de ciment. Pour ce faire, quatre types d'essais de rupture ont été effectués sur un même matériau (béton de ciment, 0/8 mm), avec une géométrie d'éprouvettes (fendage par coin sur plaques rectangulaires 20/20/10 cm). Le premier type d'essais consistait en des paliers de relaxation successifs à différents niveaux de sollicitation, avant, sur, et après pic, suivant l'enveloppe de rupture. On a étudié plus particulièrement l'influence du mode de contrôle de l'essai ("actif": sur la base d'un déplacements mesuré sur l'éprouvette, ou "passif": sur la base du déplacement de la traverse) et de l'histoire de sollicitation sur la réponse en relaxation. Les résultats obtenus ont montré une déviation progressive par rapport au comportement viscoélastique linéaire à partir d'environ 50 % de la force maximale, avant pic. Cette déviation était nettement plus marquée en contrôle de traverse ("passif"). Elle dépendait de l'histoire de sollicitation. Après pic, en contrôle "actif", les relaxations relatives tendaient à se confondre quel que soit le niveau de sollicitation. Les paramètres de déplacement (autres que celui de contrôle) mesurés sur l'éprouvette ou la traverse, en cours de relaxation, ont montré une évolution dépendante du paramètre de contrôle. Cette évolution était marquée au début des paliers et tendait à s'atténuer par la suite. Par ailleurs, des émissions acoustiques ont pu être détectées au début et en cours de certains paliers de relaxation pour des niveaux de sollicitation élevés en début de palier (au voisinage du pic ou après). Le deuxième type d'essais consistait en un ou plusieurs paliers de fluage successifs jusqu'à la rupture éventuelle sous force constante. On a observé dans certains cas au cours du palier menant à la rupture, une alternance de paliers de fluage secondaire et tertiaire (changements de concavité multiples). corrélés avec les émissions acoustiques mesurées. Les paliers de fluage tertiaire menant à la rupture présentaient des durées importantes (de l'ordre de plusieurs minutes). La rupture instable, brutale ne se produisait qu'à la fin du palier de fluage tertiaire, en parallèle avec une augmentation très rapide du nombre d'évènements acoustiques mesurés. On observait, au cours des paliers de fluage tertiaire, une augmentation de la longueur de fissure mesurée en surface par une jauge conductrice graphite, corrélée avec celle des déplacements. Le troisième type d'essai était effectué sous sollicitation monotone, en contrôlant le déplacement dans l'axe de la force de fendage, avec des vitesses imposées variables, de 5x10-4 à 5x 10-1 mm/minute. Les résultats obtenus ont montré une nette influence de la vitesse de sollicitation sur le comportement au voisinage du pic de force. La force maximale diminuait quand la vitesse de sollicitation diminuait. Le déplacement au pic de force n'était, quant à lui pas influencé de manière notable par le changement de vitesse de sollicitation. Les mesures de longueur de fissure à l'aide de jauges conductrices en graphite ont permis de déterminer l'évolution de la vitesse de fissure en surface, en fonction de l'avancement de l'essai. On a constaté que la vitesse de fissure mesurée en surface dépendait quasiment linéairement de la vitesse de sollicitation imposée en termes de déplacement dans l'axe de la force de fendage. Le quatrième type d'essai, effectué en complément des précédents était plus particulièrement dédié à l'étude de l'évolution des paramètres micromécaniques accompagnant la croissance des fissures. Deux éprouvettes de fendage par coin ont été équipées de fibres optiques munies de jauges optiques de déformations (réseaux de Bragg). Les mesures effectuées ont permis de suivre l'évolution des déformations internes lors du passage de la fissure. Deux zones de comportement très différent ont été mises en évidence. Les jauges de déformation se trouvant à proximité immédiate du plan de rupture (distance environ 5 mm) ont montré de grandes déformations (de l'ordre de 1000 με), largement supérieures à la déformation de rupture des bétons usuels (environ 0.1‰ soit 100 με), et en grande partie irréversibles. Au contraires, les jauges optiques plus éloignées du plan de rupture (distance supérieure à 10 à 15 mm) ont présenté des déformations toujours inférieures à 100 με, avec, après le passage de la fissure, une faible déformation irréversible (environ 10 με). Finalement, 2 types de simulations numériques (matériaux homogènes) ont été effectués pour compléter l'interprétation des résultats expérimentaux. Un calcul viscoélastique linéaire sans propagation de fissure a permis de mettre en évidence de manière plus précise les écarts progressifs par-rapport au comportement observé expérimentalement dans les essais de relaxations successives. Un calcul non linéaire de propagation de fissure cohésive discrète avec comportement adoucissant, dans un matériau élastique linéaire, a permis de reproduire de manière très fidèle une partie des résultats de mesures internes de déformations (jauges optiques). Les résultats expérimentaux obtenus ont montré des indices prononcés d'activités de croissance de microfissures au cours des paliers de fluage et de relaxation. Ces mesures confirment la part importante jouée par la propagation et la coalescence de microfissures sur la réponse viscoélastique non linéaire du béton. La présence d'indice de croissance de microfissures au cours de paliers relaxation peut s'expliquer par des phénomènes de propagation instable liés à la taille des microfissures. Ces phénomènes pourraient être accentués par des effets de redistributions, en régime viscoélastique, d'efforts internes dans la structure hétérogène du matériau. Tous les travaux effectués montrent l'intérêt de compléter les mesures grossières que sont la force de réaction d'une éprouvette ou les déplacements externes macroscopiques, par la mesure de paramètres micromécaniques pour distinguer les contributions des différents phénomènes agissant.