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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
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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
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