Evolution des fissurations intramatricielles et de décohésion

dans des composites ciment-billes de verre en séchage

Analyse microtomographique par rayons X

N. Limodin b, T. Rougelot a,c, C. Peng b, N. Burlion a,c

a Université Lille Nord de France b LML UMR 8107 - CNRS c Polytech Lille – LML UMR 8107 – CNRS

2

Contexte

Evolution hydromécanique des matériaux cimentaires Comportement à long terme Désaturation entrainant un retrait de dessiccation Déformations différentielles entre les composants des matériaux

cimentaires

Fissuration, augmentation des propriétés de transport

Réduction potentielle des performances de l’ouvrage au cours du temps

3

Contexte (2)

Différentes localisations de fissuration possibles : Dans la matrice cimentaire A l’interface pâte-granulats (décohésions)

Propriétés de transport impactées par : Quantité de fissures Ouvertures Connectivité

Suivi de l’évolution par microtomographie par rayons X

4

Sommaire

Acquisition de données expérimentales par microtomographie X

Traitement des données d’imagerie

Analyse des faciès de fissuration

Effet du diamètre des inclusions

Conclusions et perspectives

5

Acquisition de données expérimentales

Etude de matériaux cimentaires modèles à géométrie simplifiée Composites ciment-billes de verre Ciment CEM II/B 32.5 R LL-S, E/C

0,5 Fraction volumique cible : 35% Diamètres des inclusions : 2 ou 4

mm

Echantillons carottés diamètre 8 mm, longueur 20 mm

environ après maturation sous eau saturée en chaux (1 mois)

Acquisition

6

Acquisition de données expérimentales

Microtomographie sous rayonnement synchrotron ESRF – ligne BM05 sous énergie 35 keV Taille de voxel : 5,3 µm

Protocole de séchage rapide en étuve : 30 h à 60°C 20 h à 105°C 22 h à 150°C Acquisitions à 24, 48 et 72h

Acquisition

7

Traitement des données

Pré-traitement sur radiographie 2D Correction des points chauds (filtre médian) Correction des rings (Savitsky-Golay)

Recalage des images à 0, 24 et 48h

Traitement

8

Traitement des données

Isolation de l’extérieur (seuillage du vide par croissance de région dans le vide) Suppression des cavités laissées par les billes en surface après

décohésion

Segmentation des fissures (croissance de région) Soustraction de la porosité initiale pour limiter les perturbations

sur la granulométrie des fissures

Segmentation des billes (seuillage après application d’un filtre variance)

Traitement

9

Effet du seuillage des fissures

Modification attendue du volume de fissuration

Granulométries (Boulos et al. [1]) conservent une forme similaire Épaisseur moyenne

identique Pas de pic

supplémentaire[1] Investigating performance variations of an optimized GPU-ported granulometry algorithm", V. Boulos, L. Salvo, V. Fristot, P. Lhuissier, D. Houzet. 18th International European Conference on Parallel and Distributed Computing, Rhodes Island, Greece (2012).

Traitement

10

Fissures intramatricielles et de décohésion

2 types de fissuration : Retrait de dessiccation de la matrice

cimentaire autour d’inclusions rigides contraintes de traction orthoradiales Interface pâte-granulat faibledécohésions pâte-inclusion

Soustraction à la fissuration totale de la fissuration présente autour des inclusions (par dilatation des billes) Quantification des évolutions des

volumes et épaisseurs de fissures de décohésion ou intramatricielle

Analyse

11

Evolution de la fissuration au cours du séchage

Etude du composite à billes de 2 mm 2 zones d’intérêt de mêmes dimensions dans l’échantillon Fraction volumique mesurée : 41% (cible 35%)

Evolution de la granulométrie Augmentation nette du volume fissuré avec séchage Epaisseur moyenne : de 25 à 32 µm Fissuration plus importante et plus ouverte

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0 20 40 60 80 100

Epaisseur de fissure (µm)

Volu

me

de fi

ssur

es (m

m^3

)

0h total

24h total

48h total

Analyse

12

Fissuration totale (2 mm)

Effet de la ROI étudiée sur le composite Porosité légèrement plus élevée dans la 2nde zone Granulométrie et évolution avec le séchage similaire

Analyse

13

Surface et volume Evolution avec le séchage

Augmentation du volume « linéaire » Nouvelles surfaces créées moins nombreuses entre 1ère et 2nde étape Observations similaires pour composites 4mm

Création de l’essentiel des fissures lors du 1er séchage et seulement ouverture et coalescence de ce réseau ensuite ?

Résultats qui semblent corroborer une analyse préliminaire avec les fonctions de Minkowski (Peng et al. [2]), au moins qualitativement

0,0E+00

2,0E+05

4,0E+05

6,0E+05

8,0E+05

1,0E+06

1,2E+06

1,4E+06

1,6E+06

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Drying time (hours)

Vo

lum

e V

(vo

xel

3)

2 mm

4 mm

0,0E+00

1,0E+05

2,0E+05

3,0E+05

4,0E+05

5,0E+05

6,0E+05

7,0E+05

8,0E+05

9,0E+05

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Drying time (hours)

Su

rfac

e S

(vo

xel²

)

2 mm

4 mm

c

[2] Cementitious composites during leaching and drying: X ray microtomography analysis of cracking pattern dependence on size of rigid inclusions. Peng, T. Rougelot, N. Burlion and D. Bernard. International conference Fracture Mechanics for concrete and Concrete Structures Framcos7. 2010

14

Evolution de la fissuration intramatricielle

Augmentation plus marquée de l’épaisseur moyenne (25 à 36µm) Volume des fissures les plus petites qui diminue avec le séchage :

augmentation de l’ouverture/coalescence de fissures déjà existantes à 24h

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 20 40 60 80 100

Epaisseur de fissure (µm)

Volu

me

de fi

ssur

es (m

m^3

)0h intramat

24h intramat

48h intramat

Analyse

15

Evolution de la fissuration de décohésion

Augmentation plus faible de l’épaisseur moyenne (24 à 28µm) que pour la fissuration intramatricielle Augmentation du volume par poursuite de la dessiccation Contrebalancée en partie par le retrait de la pâte sur les

inclusions (épaisseur moyenne évoluant plus faiblement)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0 20 40 60 80 100

Epaisseur de fissure (µm)

Volu

me

de fi

ssur

es (m

m^3

)

0h decohesion

24h decohesion

48h decohesion

Analyse

16

Cartographie des épaisseurs (2 mm)

Projection des épaisseurs des fissures (Doube et al. [3]) Intramatricielles De décohésion

Changements essentiellement liés à des augmentations d’épaisseurs en fissuration intramatricielle

24 h 48h

décohésions

intra

[3] Doube M, Kłosowski MM, Arganda-Carreras I, Cordeliéres F, Dougherty RP, Jackson J, Schmid B, Hutchinson JR, Shefelbine SJ. (2010) BoneJ: free and extensible bone image analysis in ImageJ. Bone 47:1076-9

Analyse

17

Composites à billes de 4 mm

Résultats obtenus à partir d’une étude similaire sur le composite à billes de 4mm Représentativité limitée de l’échantillon et a fortiori des zones

étudiées Fraction volumique (0,59) très grande par rapport à la cible

Résultats indicatifs

Effet du diamètre

18

Fissuration (4 mm)

Apparition d’un second pic à 72 h : effet local ?

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0 50 100 150

Volu

me

of c

rack

s ins

ide

b4 m

ater

ial (

mm

^3)

Crack thickness (µm)

0h intra

0h total

24h intra

24h décohésion

24h total

48h intra

48h décohésion

48h total

72h intra

72h décohésion

72h total

Effet du diamètre

19

Cartographie des épaisseurs (4 mm)

Certaines épaisseurs sont très élevées localement : apparition 2ème pic à 72h

Effet local prépondérant : peu représentatif à l’échelle du matériau

intra

décohésion

24 h 48 h 72 h

Effet du diamètre

20

Fissuration intramatricielle 2 et 4 mm

En rapportant la quantité de fissures intramatricielles à la fraction de pâte de ciment : même tendance pour 2 et 4 mm

Le moteur de la fissuration semble peu impacté par le diamètre

Effet du diamètre

21

Conclusions et perspectives

Technique d’imagerie adaptée à la quantification de granulométrie de fissures dans les matériaux cimentaires

Mise en évidence d’évolutions différentes pour les 2 classes de fissures Fissures intramatricielles dont l’ouverture varie plus fortement

que pour celles de décohésions avec le séchage

Etude comparative entre 1, 2 et 4 mm Fissures intramatricielles dépendantes de la fraction de pâte Décohésions impactées par la surface spécifique des granulats