Experimental investigation of the variability of concrete durability properties

One of the main objectives of the APPLET project was to quantify the variability of concrete properties to allow for a probabilistic performance-based approach regarding the service lifetime prediction of concrete structures. The characterization of concrete variability was the subject of an experimental program which included a significant number of tests allowing the characterization of durability indicators or performance tests. Two construction sites were selected from which concrete specimens were periodically taken and tested by the different project partners. The obtained results (mechanical behavior, chloride migration, accelerated carbonation, gas permeability, desorption isotherms, porosity) are discussed and a statistical analysis was performed to characterize these results through appropriate probability density functions

Variabilité des propriétés du béton : caractérisation expérimentale et modélisation probabiliste de la lixiviation

Evaluating structures durability requires taking into account the variability of material properties. The thesis has two main aspects: on the one hand, an experimental campaign aimed at quantifying the variability of many indicators of concrete behaviour; on the other hand, a simple numerical model for calcium leaching is developed in order to implement probabilistic methods so as to estimate the lifetime of structures such as those related to radioactive waste disposal. The experimental campaign consisted in following up two real building sites, and quantifying the variability of these indicators, studying their correlation, and characterising the random fields variability for the considered variables (especially the correlation length). To draw any conclusion from the accelerated leaching tests with ammonium nitrate by overcoming the effects of temperature, an inverse analysis tool based on the theory of artificial neural networks was developed. Simple numerical tools are presented to investigate the propagation of variability in durability issues, quantify the influence of this variability on the lifespan of structures and explain the variability of the input parameters of the numerical model and the physical measurable quantities of the material.L'évaluation de la durabilité des modélisation probabiliste de la lixiviation structures nécessite de prendre en compte la variabilité des propriétés du matériau. La thèse présente deux aspects principaux : d'une part une campagne expérimentale visant à quantifier la variabilité d'indicateurs du comportement du béton ; d'autre part le développement d'une modélisation simple de la lixiviation des bétons afin de mettre en œuvre des méthodes probabilistes pour estimer la durée de vie de structures liées notamment au stockage des déchets radioactifs. La campagne expérimentale consiste à suivre deux chantiers et à quantifier la variabilité de ces indicateurs, étudier leur corrélation et caractériser la variabilité des champs aléatoires des grandeurs considérées (notamment vis-à-vis d'une longueur de corrélation). Afin de dépouiller des essais de lixiviation accélérée au nitrate d'ammonium en s'affranchissant des effets de la température, un outil d'analyse inverse basé sur la théorie des réseaux de neurones a été élaboré. Des outils numériques simples sont présentés afin d'étudier la propagation de la variabilité dans des problèmes de durabilité, de quantifier l'influence de celle-ci sur la durée de vie des structures et d'expliquer la variabilité des différents paramètres d'entrée du modèle numérique et des grandeurs physiques du matériau

Modelling the spatial variability of leaching kinetics parameters: Investigation about the input variability influence on the lifespan distribution of a concrete structure

International audienceThis works aims at studying, through the Monte-Carlo method, the influence of the leaching kinetics parameters spatial variability on the lifespan of a concrete structure. The considered structure is a tunnel for nuclear waste disposal. It is observed that the expected value for the lifespan estimated when considering the material spatial variability is significantly lower than the lifespan estimated with a single simulation considering uniform parameters fields, equal to the expected value for each parameter.Le but de cette étude est d'évaluer, par la mise en œuvre de la méthode de Monte-Carlo, l'influence de la variabilité spatiale des paramètres les plus influents par rapport à la cinétique de dégradation en lixiviation sur la vitesse de propagation dans une structure en béton du front de dissolution de la portlandite. La structure considérée est un tunnel de stockage de déchets radioactifs. Nous observons que l'espérance de la durée de vie estimée en tenant compte de la variabilité spatiale des propriétés du béton est sensiblement inférieure à la durée de vie estimée en considérant des champs uniformes, égaux à l'espérance des paramètres considéré

Coupling Between Leaching and Mechanical Behaviour of Concrete

International audienceIn the case of a radioactive waste disposal, concrete containment structures must be studied over extended periods during which it is necessary to account for a possible degradation by calcium leaching due to on-site water. This phenomenon affects the microstructure of concrete and then is coupled with the mechanical behaviour of concrete. The effect of leaching on the static behaviour and then the possible influence of cracks on leaching will be considered. But there is also a possible coupling due to tertiary creep. In this case, failure occurs eventually. And finally, a probabilistic approach is used with the leaching and tertiary creep models to evaluate the lifetime of a concrete structure subjected to chemical and mechanical loading

Quantification of Tafel coefficients according to passive/active state of steel carbonation‐induced corrosion in concrete

International audienceStatistical quantification of Tafel coefficients is investigated in this study for isolated steel rebar embedded in concrete. The survey is supported by a wide experimental campaign carried out earlier to characterize the passive and active states of carbonation‐induced corrosion of steel. Electrochemical measurements (polarization resistance, corrosion potential, Tafel coefficients) and gravimetric estimations of iron loss were regularly conducted over 417 days on 108 concrete specimens. The statistical analysis reveals that the mean value of Tafel coefficients, both cathodic and anodic, is higher under active corrosion, which seems to contradict the general tendency found for chloride‐induced corrosion, while their coefficient of variation is smaller. The statistical inference was based on the first step of distributions fitting the experimental data and then on the second step of goodness‐of‐fit tests. The most suitable of the distributions proposed were the Burr, Rayleigh, and Gamma distributions. A similar analysis was made for the corrosion potential and polarization resistance. The findings of the study will be valuable for probabilistic approaches to corrosion where probabilistic distributions are required

Étude de sensibilité d'un modèle d'alcali-réaction

International audienceThe alkali aggregate reaction (AAR) is a significant deleterious degradation for many concrete structures, particularly those in which the saturation rate of the concrete remains constantly high, such as dams. The approximations associated with the modeling assumptions of AAR on the scale of a representative elementary volume (REV), and the many uncertainties that affect the parameters of the models, make the prediction of AAR phenomenon random, and thus require to operate in probabilistic context. To limit the stochastic dimension for a probabilistic analysis, a sensitivity analysis by the Morris method was conducted on the AAR model developed by LMDC in accelerated conditions. The outputs of model involved were the maximum and intermediate levels of swelling, as well as the time corresponding to each of these levels of swelling. This study helps to remove about half of the model parameters having little influence on the variability of outputs and can therefore be considered as deterministic subsequently. MOTS-CLÉS : alcali-réaction, analyse de sensibilité, méthode de Morris.L'alcali-réaction est une dégradation délétère significative pour de nombreux ouvrages en béton, notamment ceux dans lesquels le taux de saturation du béton reste élevé en permanence, comme les barrages. Les approximations associées aux hypothèses de modélisation de la RAG à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), et les nombreuses incertitudes affectant les paramètres des modèles, rendent aléatoire la prévision du phénomène de RAG et imposent d'opérer en contexte probabiliste. Pour limiter la dimension stochastique lors de l'analyse probabiliste, une étude de sensibilité par la méthode de Morris a été entreprise sur le modèle de RAG développé au LMDC en conditions accélérées. Les sorties du modèle visées ont été le gonflement maximal et ses niveaux intermédiaires, ainsi que les temps correspondant à ces gonflements respectifs. Cette étude permet d'écarter environ la moitié des paramètres du modèle comme étant peu influents sur la variabilité des sorties et qui pourront donc être considérés comme déterministes par la suite

Étude de sensibilité d'un modèle d'alcali-réaction

International audienceThe alkali aggregate reaction (AAR) is a significant deleterious degradation for many concrete structures, particularly those in which the saturation rate of the concrete remains constantly high, such as dams. The approximations associated with the modeling assumptions of AAR on the scale of a representative elementary volume (REV), and the many uncertainties that affect the parameters of the models, make the prediction of AAR phenomenon random, and thus require to operate in probabilistic context. To limit the stochastic dimension for a probabilistic analysis, a sensitivity analysis by the Morris method was conducted on the AAR model developed by LMDC in accelerated conditions. The outputs of model involved were the maximum and intermediate levels of swelling, as well as the time corresponding to each of these levels of swelling. This study helps to remove about half of the model parameters having little influence on the variability of outputs and can therefore be considered as deterministic subsequently. MOTS-CLÉS : alcali-réaction, analyse de sensibilité, méthode de Morris.L'alcali-réaction est une dégradation délétère significative pour de nombreux ouvrages en béton, notamment ceux dans lesquels le taux de saturation du béton reste élevé en permanence, comme les barrages. Les approximations associées aux hypothèses de modélisation de la RAG à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), et les nombreuses incertitudes affectant les paramètres des modèles, rendent aléatoire la prévision du phénomène de RAG et imposent d'opérer en contexte probabiliste. Pour limiter la dimension stochastique lors de l'analyse probabiliste, une étude de sensibilité par la méthode de Morris a été entreprise sur le modèle de RAG développé au LMDC en conditions accélérées. Les sorties du modèle visées ont été le gonflement maximal et ses niveaux intermédiaires, ainsi que les temps correspondant à ces gonflements respectifs. Cette étude permet d'écarter environ la moitié des paramètres du modèle comme étant peu influents sur la variabilité des sorties et qui pourront donc être considérés comme déterministes par la suite

Tertiary Creep: A Coupling Between Creep and Damage – Application to the Case of Radioactive Waste Disposal

International audienceSummary Introduction to Tertiary Creep Modeling of Tertiary Creep Using a Damage Model Coupled to Creep Comparison with Experimental Results Application to the Case of Nuclear Waste Disposal Conclusions Bibliograph