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Theses Year : 2015

Modeling of complex microcracking in cement based materials by combining numerical simulations based on a phase-field method and experimental 3D imaging

Modélisation de réseaux de fissures complexes des matériaux cimentaires en combinant méthodes de simulation numérique basées sur la méthode de champ de phase et techniques d'imagerie expérimentales 3D

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Abstract

An approach combining numerical simulations and experimental techniques is developed to model complex microcracking in heterogeneous cementitious materials. The proposed numerical model allowed us to predict accurately in 3D the initiation and the propagation of microcracks at the scale of the actual microstructure of a real sample subjected to compression. Its predictions have been validated by a direct comparison with the actual crack network characterized by 3D imaging techniques. In a first part, the numerical simulation tools are developed and tested. More specifically, the phase-field method is applied to microcracking simulations in highly heterogeneous microstructures and its advantages for such simulations are discussed. Then, the technique is extended to account for interfacial cracking, possibly occurring at inclusion/matrix interfaces. In a second part, the experimental methods used and developed in this work are described. The procedures to obtain the evolution of the 3D crack network within the samples by means of X-rays computed microtomography and in-situ mechanical testing are presented. Then, we focus on the developed image processing tools based on digital volume correlation to extract with good accuracy the cracks from the grey level images. In a third part, we compare the predictions of the numerical model with experimental results obtained, first, with a model material made of expanded polystyrene beads embedded in a plaster matrix, and second, to a more complex lightweight concrete. More precisely, we use the experimental data to identify by inverse approaches the local microstructural parameters, and use the experimental displacements measured by digital volume correlation to define boundary conditions to be applied on sub-domains within the sample for the simulations. The obtained direct comparisons of 3D microcrack networks and their evolutions demonstrate the very good predictive capability of the numerical model
Une approche combinant simulation numérique et expérimentation est développée pour modéliser la microfissuration complexe dans des matériaux hétérogènes cimentaires. Le modèle numérique proposé a permis de prévoir précisément en 3D l'initiation et la propagation des microfissures à l'échelle de la microstructure réelle d'un échantillon soumis à un chargement de compression. Ses prévisions ont été validées par une comparaison directe avec le réseau de fissures réel caractérisé par des techniques d'imagerie 3D. Dans une première partie, nous développons et testons les outils de simulation numérique. Plus précisément, la méthode de champ de phase est appliquée pour simuler la microfissuration dans des milieux fortement hétérogènes et ses avantages pour ce type de modélisation sont discutés. Ensuite, une extension de cette méthode est proposée pour tenir compte d'un endommagement interfacial, notamment aux interfaces inclusion/matrice. Dans une deuxième partie, les méthodes expérimentales utilisées et développées au cours de cette thèse sont décrites. Les procédures utilisées pour obtenir l'évolution du réseau de fissures 3D dans les échantillons à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ sont présentées. Ensuite, les outils de traitement d'image utilisant la corrélation d'images volumiques, pour extraire les fissures des images en niveaux de gris avec une bonne précision, sont détaillés. Dans une troisième partie, les prévisions du modèle numérique sons comparées avec les données expérimentales d'un matériau modèle en billes de polystyrène expansé intégrées dans une matrice de plâtre dans un premier temps, et, dans un second temps, d'un béton léger plus complexe. Plus précisément, nous utilisons les données expérimentales pour identifier les paramètres microscopiques inconnus par une approche inverse, et utilisons les déplacements expérimentaux déterminés par corrélation d'images volumiques pour définir des conditions limites à appliquer sur les bords de sous-domaines dans l'échantillon pour les simulations. Les comparaisons directes de réseaux de microfissures 3D et de leur évolution montrent une très bonne capacité prédictive du modèle numérique
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tel-01318880 , version 1 (20-05-2016)

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  • HAL Id : tel-01318880 , version 1

Cite

Thanh Tung Nguyen. Modeling of complex microcracking in cement based materials by combining numerical simulations based on a phase-field method and experimental 3D imaging. Materials. Université Paris-Est, 2015. English. ⟨NNT : 2015PESC1152⟩. ⟨tel-01318880⟩
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