Characterization of the development of microstructure and porosity of cement-based materials by numerical simulation and ESEM image analysis

This paper describes the characterization of the development of the microstructure and porosity of cement-based materials simulated with a numerical model and compares the results with those obtained from environment scanning electron microscopy (ESEM) images. The numerical cement hydration model HYMOSTRUC is used to simulate the 3D microstructure of cement paste. The geometrical and topological properties of porous media are derived by applying a serial sectioning algorithm with an overlapping creterion. The stereological estimation of ESEM image is used to characterize the morphological changes of microstructure during the cement hydration process. The characteristic parameters simulated by the model and obtained from experiments are compared to one another. The influence of different w/c ratios,i.e. from 0.3 to 0.6, different finenesses of cement particles, 210 m²/kg, 420 m²/kg and 600 m²/kg, and different lengths of curing period are investigated. The potential application of this simulated 3D microstructure on the transport properties being studied by applying a network permeability model. The capillary transport is considered in this model.

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Résumé Cet article décrit la caractérisation du développement de la microstructure et de la porosité des matériaux ciment-basés simulés avec un modèle numérique et compare les résultats à ceux obtenus à partir des images de la microscopie électronique d' environnement (ESEM). Le modèle numérique HYMOSTRUC d'hydration de ciment est employé pour simuler la microstructure 3D de la pate de ciment. Les propriétés géométriques et topologiques des matériaux poreux sont dérivées appliquant un algorithme de sectionnement séquentiel avec un critère superposant. L'évaluation stéréoplogique de l'image d'ESEM est employée pour caractériser les changements morphologiques de la microstructure pendant le processus d'hydration de ciment. Les paramètres caractéristiques simulés par le modèle et obtenus à partir des expériences sont comparés l'un à l'autre. L'influence de différentes rapports aux/ciment, c'est-à-dire de 0,3 à 0,6, différentes finesses des particules de ciment, 210 m²/kg, 420 m²/kg et 600 m²/kg, et différentes durées de la période traitante sont étudiées. L'application potentielle de cette microstructure 3D simulée sur les propriétés de transport est étudiée en appliquant un modèle de perméabilité à réseau. Le transport capillaire est considéré dans ce modèle.

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Editorial Note Delft University of Technology is a RILEM Titular Member, Prof. Klaas van Breugel and Dr. Piet Stroeven are RILEM Senior Members. Prof. van Breugel is Associate Editor of Concrete Science and Engineering.     

Low temperature stress growth and relaxation in crack sealing materials

Stress relaxation after a nonsteady uniaxial extension with finite strain of crack sealants is studied at low temperatures. The integral constitutive model is used and the first normal stress difference, obtained experimentally, is modelled. It was found that the stretched exponential relaxation occurs in the tested materials. The stress growth and the stress relaxation in the tested materials are very well described by the discussed model which contains only a small number of parameters.

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Résumé La relaxation des contraintes à la suite d'une extension uniaxiale non stable avec une tension finie sur les enduits étanches des fissures est étudiée à basses températures. Le modèle constitutif intégral est utilisé et la première différence des contraintes, obtenu expérimentalement, est modélisée. Les résultats montrent que la relaxation de l'étirement exponentiel a lieu dans les matériaux étudiés. La croissance et la relaxation des contraintes dans ces matériaux sont bien décrites par le modèle en question, qui ne contient qu'un petit nombre de paramètres.

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Editorial Note L. Zanzotto is a RILEM Senior member and a member of RILEM Technical Committee 152-PBM (Performance of Bituminous Materials).     

Chemomechanics of concrete at finer scales

Concrete, like many other materials (whether man-made, geological or biological), is a highly heterogeneous material with heterogeneities that manifest themselves at multiple scales. As new experimental techniques such as nanoindentation have provided unprecedented access to micro-mechanical properties of materials, it becomes possible to identify the mechanical effects of chemical reactions at the micro-scale, where the reactions occur, and trace these micro-chemo-mechanical effects through upscaling techniques to the macro-scale. The focus of this paper is to review recent developments of a microchemomechanics theory which ultimately shall make it possible to capture chemomechanical deterioration processes at the scale where physical chemistry meets mechanics. This is illustrated through application of the theory to early-age concrete and calcium leaching, and an outlook to biologically mediated deterioration processes in solid materials is given.

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Résumé Le béton comme beaucoup d'autres matériaux, soit artificiels, géologiques ou biologiques, est un matériau très hétérogène, dont les hétérogénéités se manifestent à de multiples échelles. Comme des techniques expérimentales nouvelles, telle la nano-indentation, ont donné un accès non-précédent aux propriétés micromécaniques des matériaux, il est possible d'identifier les effets mécaniques des réactions chimiques à l'échelle microscopique, où les réactions ont lieu, et tracer ces effets au travers des méthodes de changement d'échelle vers l'échelle macroscopique. Cet article fait le point sur le développement d'une modélisation micro-chimicomécanique qui a comme but de modéliser la détérioration chimico-mécanique à partir de l'échelle physico-chimique. Ces développements sont illustrés au travers des applications au béton au jeune age et à la lixiviation des bétons. Enfin, l'extension de cette modélisation aux processus de détérioration bio-chimique des matériaux est mise en perspective.

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Editorial note Prof. Franz-Josef Ulm presented a lecture of this paper at the 2002 RILEM Annual Meeting in Madrid, Spain, when he was awarded the 2002 Robert L'Hermite Medal in recognition of his work in the field of durability mechanics. He is a RILEM Senior Member and Associate Editor forConcrete Science and Engineering.     

A compact analytical material model for unconfined concrete under uni-axial compression

The majority of the published material models for unconfined concrete under uni-axial compression consist of two branches. The recent trend is to introduce empirical modification factors in the existing material models to improve agreement between experimental and analytical results, particularly for High Strength Concrete. This paper presents a compact analytical material model in which the available conditions uniquely determine all the model parameters. It consists of a single branch and the need for empirical factors is eliminated. An application of this material model to published experimental data on normal and lightweight concretes over a wide strength range demonstrates its versatility. The agreement between experimental and analytical results is as good as that which may be provided by any other existing model. The rationality and elimination of empiricism are additional gains.

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Résumé La majorité de modèles de matériaux publiés pour du béton non confiné sous compression uni-axiale sont constitués de deux parties. Une tendance récente est d'introduire des facteurs de modification empiriques dans les modèles de matériaux existants afin d'améliorer la concordance entre les résultats expérimentaux et analytiques, en particulier pour le béton à hautes performances. Cette étude présente un modèle de matériau compact et analytique dans lequel les conditions disponibles déterminent d'une manière unique tous les paramètres du modèle. Il est constitué d'une seule partie et les facteurs empiriques ne sont plus nécessaires. Une application de ce modèle de matériau à des données expérimentales publiées sur des bétons ordinaires et légers pour une large gamme de résistances démontre sa souplesse. La concordance entre les résultats expérimentaux et analytiques est aussi bonne que celle que peut fournir un autre modèle existant. La rationalité et l'élimination de l'empirisme sont des avantages additionnels.

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Use of creep data to obtain properties of materials

Summary On previous publications [1], a methematical model has been used to simulate the mechanical behavior of materials, on stress intervals commonly found on structural designs. Use of it can be made to explain the behavior of materials on different stress situation, if five viscoelastics constants [2] obtained from creep tests, are determined. Once the constants are found through electronic processing of data, the model can be used to explain the behavior of the material in a common torsion test, to obtain stress-strain diagrams or any other stress situation. As on example, creep data on cement mortars, obtained on a carefully controlled experimental setup are analysed and processed, to obtain the viscoelastic constants; with these values, stress-strain diagrams are obtained for cement mortar and compared with experimental data.

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Résumé Dans des publications précédentes [1] a été décrit un modèle mathématique servant à simuler le comportement mécanique des matériaux, dans des intervalles de contrainte ordinairement déterminés dans les calculs, des structures. Son emploi peut aider à expliquer le comportement des matériaux dans différentes conditions de contrainte, à condition que soient déterminées 5 constantes viscoélastique fournies par les essais de fluage. Une fois ces constantes ètablies au moyen d'un ordinateur électronique, le modèle peut servir, à expliquer le comportement, du matériau au cours d'un essai ordinaire de torsion, à obtenir les diagrammes contrainte/déformation, etc ... A titre d'exemple, les résultats de fluage de mortier de ciment obtenus dans des conditions expérimentales rigoureusement définies sont traités afin d'obtenir les constantes viscoélastiques; ces valeurs permettent d'établir les diagrammes contrainte/déformation du mortier de ciment et de les comparer avec les résultats expérimentaux.

     

Active and non-active porosity in concrete Part II: Evaluation of existing models

Mechanical, semi-empirical, and theoretical models suitable for describing concrete mechanical properties (modulus of elasticity, bulk modulus, and ultrasonic pulse velocity) are evaluated. Extensive experimental data is generated from saturated and dry concrete specimens with varying volume of active and non-active pores. Experimetnal data established that active and non-active pores appear at different aspect ratios furthermore, active pores change shape with moisture content. The experimental data is compared to those obtained from these three model categories. Models are evaluated based on their capability in evaluating the effect of pores during dry and saturated states. One model, capable of representing pores at various aspect ratios, was successful in describing mechanical properties in dry and saturated states.

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Résumé Les résultats d'une étude visant à évaluer la fiabilité de différents modèles permettant de prédire les propriétés mécaniques (module élastique, vitesse de propagation d'une onde ultrasonique) sont présentés. Trois différents types de modèles ont été considérés: des modèles mécaniques, semi-empiriques et théoriques. De nombreuses données expérimentales ont été générées dans le cadre de cette étude. Le programme expérimental visait à étudier le comportement d'éprouvettes de béton sec et humide préparé à différentes teneurs en pores actifs (pores capillaires) et non-actifs (vides d'air). Les résultats des essais indiquent que les pores actifs et non-actifs ont différents coefficients de forme et que la géométrie des pores actifs varie en fonction de la teneur en eau du béton. Les prédictions obtenues avec les différents modèles sont comparées aux valuers expérimentales. La capacité des modèles à prendre en considération l'influence des pores et de l'état hygrométrique du matériau a été évaluée. Les résultats de cette évaluation systématique démontrent que seul le modèle qui considère le coefficient de forme des pores permet de prédire correctement les propriétés mécaniques du béton à l'état sec et humide.

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Editorial Note Dr. Nataliya Hearn is a RILEM Affiliate Member.     

On the use of nanoindentation for cementitious materials

Recent progress in experimental and theoretical nanomechanics opens new venues in materials science for the nano-engineering of cement-based composites. In particular, as new experimental techniques such as nanoindentation provide unprecedented access to micromechanical properties of materials, it becomes possible to identify the mechanical effects of the elementary chemical components of cement-based materials at the scale where physical chemistry meets mechanics, including the properties of the four clinker phases, of portlandite, and of the C-S-H gel. In this paper, we review some recent results obtained by nanoindentation, which reveal that the C-S-H gel exists “mechanically” in two different forms, a lowdensity form and a high-density form, which have different mean stiffness and hardness values and different volume fractions. While the volume fractions of the two phases depend on mix proportions, the mean stiffness and hardness values do not change from one cement-based material to another; instead they are intrinsic properties of the C-S-H gel.

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Résumé Les récents progrès en “nanomécanique”, aussi bien sur le plan théorique qu’expérimental, ouvrent de nouvelles perspectives en science des matériaux pour la nano-ingénierie des composites à base de ciment. Grace à de nouvelles techniques expérimentales telles que la ‘nanoindentation’, qui permet d’avoir un accès sans précédent aux propriétés micromécaniques des matériaux, il devient notamment possible d’identifier les effets mécaniques des composants chimiques élémentaires à l’échelle où la chimie rejoint la mécanique; cela inclut les propriétés des quatre phases de clinkers, de la portlandite et du gel de C-S-H. Dans le présent article, nous analysons quelques résultats récents obtenus par nanoindentation; ces résultats révèlent que le gel de C-S-H existe “mécaniquement” sous deux formes différentes, l’une à faible densité et l’autre à forte densité. La valeur moyenne du module d’élasticité, de la dureté, ainsi que la fraction volumique de ces deux formes sont différentes. Alors que la fraction volumique des deux phases dépend de la formulation du mélange, les valeurs moyennes du module d’élasticité et de la dureté sont identiques d’un composite à l’autre; il s’agit de propriétés intrinsèques du gel de C-S-H.

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Editorial Note Prof. Franz-Josef Ulm is a RILEM Senior Member. He was awarded the 2002 Robert L’Hermite Medal. He is Associate Editor forConcrete Science and Engineering.     

Microstructure and transport properties of porous building materials

To successfully predict the performance of building materials exposed to a degradative environment, transport properties must be either measured or estimated. The development of relationships between microstructure and transport properties for these materials should allow accurate prediction of the latter and an increased understanding of how microstructure influences transport. Here, two microstructural characterization techniques, mercury intrusion porosimetry and scanning electron microscopy, are combined with computer modelling techniques to compute the vapor diffusivity and air permeability of three building materials commonly exposed in building facades, two types of brick and a natural sandstone. In general, the computed values compare favorably to those measured experimentally, thus demonstrating the capability of employing microstructural characterization to predict transport properties.

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Résumé Pour obtenir une prédiction fiable des performances des matériaux de construction exposés à un environnement agressif, leurs propriétés de transport doivent être soit mesurées soit estimées. Le développement de relations entre la microstructure et les propriétés de transport devrait permettre une prédiction exacte de ces dernières et une meilleure compréhension de l’influence de la microstructure sur le transfert. Dans cet article, deux techniques de caractérisation de la microstructure (porosimétrie au mercure et microscopie électronique à balayage) sont combinées avec des techniques de simulation par ordinateur pour calculer la diffusivité à la vapeur d’eau et la perméabilité à l’air de trois matériaux de construction traditionnellement utilisés en facades: deux types de brique et un grès naturel. En général, les valeurs calculées sont proches de celles mesurées expérimentalement. Ces résultats démontrent les possibilités des outils de caractérisation de la structure pour prédire les propriétés de transport.

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Editorial note: Mr. Daniel Quenard is a RILEM Senior Member and a member of TC 123-MME on the Use of Microstructural Models and Expert systems for Cemenitious Materials. He and Mr. K. Xu work at the CSTB (Centre Scientifique et Technique du Batiment), France, a RILEM Titular Member. Mr. Dale P. Bentz is a RILEM Senior Member and participates in the work of TC 159-ETC (Engineering of the Interfacial Transition Zone in Cementitious Composites). He and Mr. Nicos Martys work at the National Institute of Standards and Technology (NIST), USA, a RILEM Titular Member.     

Analysis of metallic fibre-reinforced concrete beams submitted to bending

Increasing the use of metallic-fibre reinforced concrete (MFRC) in structures is related to the definition of analytic methods. In choosing a pertinent kinematic mechanism, the principles deduced from reinforced concrete analysis may be applied to these materials, provided that the material behaviour has been determined. Thus, a model of the bending behaviour of beams is proposed based on the equilibrium of forces in a cracked section. This approach explicitly takes into account the crack opening. To provide an adequate material behaviour, a uniaxial tensile test is presented. It gives a Force-Crack Opening relationship. Samples are cored in the beams to represent thein-situ material. Calculations are compared with experimental data. These tests were performed using three types of fibres and two beam sizes. An extension of the approach to combined flexure and axial load is compared with data appearing from the literature.

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Résumé Le développement de l'utilisation des bétons renforcés de fibres métalliques dans les structures est lié à la définition de méthodes de calcul. à partir d'un mécanisme cinématique pertinent, les principes utilisés pour le calcul de structures en béton armé peuvent être adaptés à ces matériaux, à condition de déterminer correctement leur comportement. On propose ainsi une modélisation de poutres, soumises à une flexion, basée sur l'équilibre d'une section fissurée. Ce modèle prend explicitement en compte l'ouverture de fissure. Un essai de traction uniaxiale est utilisé pour déterminer le comportement du matériau. Il fournit une relation effort-ouverture de fissure. Les éprouvettes sont carottées dans les poutres afin de représenter le matériauin situ. Le modèle est comparé à des résultats expérimentaux. Les essais ont été réalisés en utilisant trois types de fibres et deux géométries de poutres. Une extension de l'approche à la flexion composée est comparée à des résultats de la littérature.

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Editorial note: Pierre Rossi is working at the Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, a French RILEM Titular Member. Pierre Rossi was a member of RILEM Technical Committee 90 FMC on Fracture Mechanics of Concrete, he is still active as a member of the Editorial Group of this committee. He is also participating in the work of the recently set up Technical Committee on Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete.     

Towards a prediction of superplasticized concrete rheology

The rheology of concrete is influenced by water content, the amount, size and size distribution of all the solid components as well as by the dispersion of the finer particles through the addition of superplasticizers. In addition, the rheological behariour over time ovolves as a result of cement hydration. Consequently the a-priori prediction of concrete rheology is a complex task. In this article, models that have been and are being developed to achieve this task are discussed. The key role of the degree of dispersion will be underlined. A treatment of interparticle forces and a yield stress model integrating these will be presented. Such work is necessary to integrate the dispersion efficiency of superplasticizers based on their dosage and molelar, structures into existing models for predicting concrete rheology.

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Résumé La rhéologie du béton est influencée par la teneur en eau, la quantité, la taille et la distribution de taille de tous les matériaux granulaires ainsi que du degré de dispersion qui peut être obtenu par l'ajout de superplastifiant. De plus, le comportement rhéologique de ce matériau évolue dans le temps à cause de l'hydration du ciment. Il en résulte que la prédiction de la rhéologie du béton est particulièrement complexe. Dans cet article, des modèles existant et en cours de développment dont le but est précisément d'atteindre cet objectif sont discutés L'importance du degré de dispersion sera soulignée. Un traitement des forces interparticulaires et de leur lien au seuil d'écoulement est présenté. Le but d'un tel travail est de pouvoir en fin de compte inclure l'effet du dosage et de la structure moléculaire de superplastifiants dans les modèles existants pour la prédiction de la rhéologie du béton.

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Editorial Note Dr. Robert J. Flatt presented a lecture of this paper at the 2003 RILEM Annual Meeting in Madrid, as he was awarded the 2003 Robert L'Hermite Medal in recognition of his work on cement and concrete technology. The L'Hermite Award Committee for 2003 decided to recommend the prize to Dr. Flatt since he has demonstrated original approach and independence for fundamental studies of issues which are relevant to cement and concrete technology. In particular he should be noted for his contributions to the basic understanding of the mechanisms of dispersants in concretes. His scientific work added valuable insight into chemical effect dispersants and their impact on, physical characteristics of particle interactions and rheology. His studies are highly valuable from a basic point of view and are bound to have practical implication. Dr. Flatt is a RILEM Senior Member.     

Homogenization of FRP pultruded elements: a computational procedure for designing composite materials

This paper presents a numerical procedure for the analysis of fiber-reinforced polymers, based on the application of an asymptotic homogenization method within the linear elastic domain that enables the mechanical characterization of the composite starting from the geometric and mechanical characteristics of its constituent materials. This method can then be used as a tool in the optimal design of the material for its structural use. The model proposed is 3D and envisages the possibility of modelling the composite as a periodic body in the direction orthogonal to the longitudinal development of the fibers. The results obtained from the homogenization procedure are compared with those from semi-empirical models in order to test the soundness of the model used. Furthermore, the homogenized model is capable of furnishing not only overall information on the stress fields in the body but also pointwise in the matrix and in the fibers.

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Résumé Dans ce travail on présente une procédure numérique pour l'analyse des polymères fibro-renforcés, fondée sur l'application d'une méthode asymptotique d'homogénéisation, en élasticité linéaire, qui permet la caractérisation mécanique du composite à partir des caractéristiques mécaniques et géométriques de ses matériaux constituants. Cette méthode peut donc être utilisée comme un outil dans la conception du matériau pour son utilisation optimale. Le modèle proposé est en 3D et permet la modélisation du composite comme un milieu périodique dans la direction perpendiculaire au développement longitudinal de ses fibres. Les résultats obtenus par la procédure d'homogénéisation sont comparés à ceux obtenus par des modèles semiempiriques afin de tester la validité du modèle homogénéisé proposé. De plus on souligne l'intérêt du modèle homogénéisé pour fournir non seulement des données macroscopiques sur les champs de contrainte, mais aussi des données locales sur la distribution des tensions dans la matrice et dans les fibres.

     

Lifetime of concrete dam models under constant loads

This paper presents the results of crack creep tests on three dam models (240 cm high) made with three types of concrete, with maximum aggregate size Φ equal to 3.15, 12 and 25 mm. In order to characterize the material a series of tensile tests was performed for each kind of concrete. In this way the static parameters (Young’s modulusE, ultimate tensile strength σ _u , compressive strength σ _c , fracture energyG _F ) and creep laws were obtained. The tests on the dam models were performed in many phases: in the last one, the load was kept constant in order to examine the effects of concrete relaxation in terms of Crack Opening Displacement and crack propagation. Through the Cohesive Crack model it was possible to simulate the experimental results on gravity dam models by using the creep laws obtained from tensile test. Numerical and experimental results (failure lifetime, load vs. C.M.O.D. (Crack Mouth Opening Displacement), C.M.O.D. vs. time, load vs. time, crack trajectories) were found to be in good agreement.

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Résumé Ce travail présente les résultats d’essais de fluage dans la zone endommagée sur trois modèles de barrage en béton (hauts de 240 cm) avec une dimension maximale des granulats de 3, 15, 12 et 25 mm. Le matériau a été caractérisé par des essais de traction pour chaque type de béton. Ainsi ont été déterminés les paramètres statiques (module de Young, résistance maximale à la traction, résistance à la compression, énergie de rupture) et les lois de fluage du béton. Les essais sur les modèles de barrages ont été conduits en plusieurs phases: dans la dernière, la charge a été gardée constante afin d’examiner les effets de relaxation du matériau en termes d’ouverture de la fissure et de sa propagation. à travers le modèle de la fissure cohésive, il a été possible de simuler les résultats expérimentaux des essais sur les modèles de barrage en appliquant les lois de fluage obtenus dans les essais de traction. Les résultats numériques et expérimentaux (durée de vie à la fatigue, courbes de charge-ouverture de la fissure, ouverture de la fissure temps, trajectoires des fissures) se sont révélés en bonne corrélation.

     

Structural model adjustment using iterative methods

This paper reports a procedure for adjusting structural theoretical models to experimental results based on optimization techniques. It also covers some of the basic concepts of correlation techniques that are normally used to correlate natural frequencies and vibration modes. The developed method is tested performing some numerical simulations with imposed anomalies and through dynamic experimental tests in a simple supported beam. The obtained results show it can be an excellent tool for adjusting structural models and possibly for damage detection using the first vibration modes.

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Résumé Cet article présente un procédé basé sur des techniques d'optimisation pour l'ajustement des modèles théoriques de calcul de structures vis-à-vis des résultats obtenus expérimentalement. Certains concepts de base sur les techniques de corrélation qui sont normalement utilisés pour mettre en rapport les fréquences propres et les modes de vibration y sont aussi présentés. La méthode développée fut testée, soit par le moyen de simulations numériques avec des anomalies imposées, soit par le moyen d'analyse expérimentale dynamique sur des poutres sur deux appuis simples. Les résultats ont indiqué que la méthode ci-présentée peut être un outil très profitable pour l'ajustement des modèles de structures, son utilisation pour la détection de l'endommagement étant aussi envisageable à l'aide des premiers modes de vibration.

     

Multiscale modeling of fluid transport in heterogeneous materials using discrete Boltzmann methods

The lattice Boltzmann method is a promising approach for modeling single and multicomponent fluid flow in complex geometries like porous materials. Here, we review some of our previous work and discuss some recent developments concerning fluid flow in multiple pore size materials. After presenting some simple test cases to validate the model, results from large scale simulations of single and multi-component fluid flow through digitized Fontainebleau sandstone, generated by X-Ray microtomography, are given. Reasonably good agreement was found when compared to experimentally determined values of permeability for similar rocks. Finally, modification of the lattice Boltzmann equations, to describe flow in microporous materials, is described. The potential for modeling flows in other microstructures of interest to concrete technology will be discussed.

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Résumé La méthode Lattice Boltzmann est une approche à grand potentiel pour modeler l'écoulement à travers une géométrie complexe, comme celle des matériaux poreux, d'un fluide simple ou à composants multiples. Ici, nous passerons en revue une partie du travail complété et nous discuterons les développements récents concernant l'écoulement d'un fluide dans un matériau poreux ayant une large distribution de la dimension des pores. Nous présenterons, d'abord, des cas simples pour valider le modèle et, ensuite, des cas plus complexes incluant des écoulements de fluides simples ou à composants multiples dans une structure digitalisée d'un grès de Fontainebleau. La structure du grès fut générée par micrographie à Rayon-X. Les résultats du modèle ont une bonne corrélation avec la mesure de perméabilité déterminée sur des pierres similaires. Enfin, une modification des équations de la lattice Boltzmann permet de décrire l'écoulement à travers un matériau micro-poreux. Nous discuterons aussi la possibilité de modeler l'écoulement d'un fluide à travers d'autres micro-structures inspirées de la technologie du béton.

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Editorial Note The National Institute of Standards and Technology (NIST) is a RILEM Titular Member.     

Predicting the performance of concrete structures exposed to chemically aggressive environment—Field validation

The behavior of two series of concrete slabs exposed to sulfate-bearing soils was investigated by a numerical model called STADIUM. In addition to the diffusion of ions and moisture, the model also accounts for the effects of dissolution/precipitation reactions on the transport mechanisms. The simulations yielded by the model were compared to the actual degradation of the slabs after 8 years of exposure. The microstructural alterations of concrete resulting from the penetration of magnesium, chloride and sulfate ions were studied by backscatter mode scanning electron microscope observations and energy-dispersive X-ray analyses. The comparison of both series of data indicates that the model can reliably predict the various features of the microstructural alterations of concrete.

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Résumé Le comportement de deux séries de dalles sur sol en béton exposées à des sols chimiquement agressifs a été étudié à l'aide d'un code de calcul numérique appelé STADIUM. Ce modèle permet de décrire le transport couplé de l'eau et des ions dans des matériaux poreux non-saturés en prenant en considération l'influence des réactions chimiques. Les résultats des simultations de la dégradation du béton après huit ans d'exposition à des ions chlore, sulfate et magnésium. Les observations ont été réalisées par microscopie électronique à balayage. Des analyses par dispersion des rayons X ont également été effectuées. Les données démontrent clairement que le modèle perment de prédire avec précision le comportement du béton soumis à différents types d'agression chimique.

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Editorial Note Laval University (Canada) is a RILEM Titular Member. Prof. J. Marchand was awarded the 2000 Robert L'Hermite Medal. He is Editor in Chief for Concrete Science and Engineering and Associate Editor for Materials and Structures. He participates in RILEM TC 186-ISA ‘Internal Sulfate attack’.     

Caractérisation thermophysique et mécanique de briques de terre stabilisées en vue de l'isolation thermique de bâtiment

Résumé Cet article présente une étude expérimentale portant sur la caractérisation de matériaux locaux utilisés dans l'isolation thermique des batiments. Ces matériaux sont des briques de terre compressées et stabilisées au ciment. La conductivité thermique et la chaleur spécifique de matériaux à base de latérite incorporant de la pouzzolane et de la sciure de bois a été déterminée. Les résultats montrent que les blocs en latérite + pouzzolane ou en latérite + sciure de bois sont meilleurs isolants thermiques que les blocs en latérite simple. Cependant, ces matériaux composites utilisés pour l'enveloppe du batiment doivent avoir des résistances mécaniques suffisantes pour être utilisés dans la construction. La mesure des propriétés mécaniques telles que la résistance à la compression et la résistance à la traction a montré un faible écart entre les résistances des trois types de matériaux étudiés. Les résistances en traction de la latérite et de la latérite + pouzzolane sont voisines et environ deux fois plus élevées que celle de la latérite + sciure de bois. Ces résultats permettent de préciser les conditions d'utilisation optimale de ces matériaux pour l'enveloppe du batiment.

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Thermophysical and mechanical characterization of stabilized clay bricks for building thermal insulation

An experimental study was carried out in order to determine the properties of local materials used for building thermal insulation. Cement stabilised compressed clay bricks were tested. The thermal conductivity and specific heat of laterite based materials incorporating pouzzolane or sawdust was determined. The experimental results showed that pouzzolane + laterite bricks or sawdust + laterite bricks give better thermal insulation than simple laterite bricks. However, these composite materials used for building shielding must present sufficient mechanical strength to the suitable for constructions. The measurement of mechanical properties such as compressive strength and tensile strength showed little difference between the strength of the three studied materials. The tensile strengths of the laterite and the laterite + pouzzolane bricks were similar. They were about two times that of the laterite + sawdust bricks. The obtained thermal and mechanical results permit to specify the optimal use conditions of the tested materials.

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Premix PCC materials: mechanical properties as a function of technological factors

Mechanical properties, microstructure, dimensional stability and phase interactions of premix polymer-cement composite materials (PCC) were investigated as a function of polymer content, water/cement (w/c) ratio and preparation and curing procedures of the samples. The investigated PCC materials were made of normal cement mortar with the addition of variable amounts of water-soluble or dispersible epoxy resins and polyelectrolytes of different functionality. Mechanical strength (compressive and flexural), dimensional changes and microstructure after various curing times were then evaluated in comparison with the same parameters for plain mortar samples prepared by standard procedures. The results so far obtained show that a strong reduction of the w/c ratio in PCC materials can be obtained through polymer addition. Hence, a proper design of the mixing and curing procedures, combined with an optimum reduction of the w/c ratio, causes a remarkable mechanical strength increase in the PCC materials investigated.

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Résumé On a étudié les propriétés mécaniques, la microstructure, la stabilité dimensionnelle et les interactions de phase de matériaux prémix des composites ciment/polymères (PCC) en fonction de la teneur en polymères, du rapport eau/ciment, de la préparation et des méthodes de conservation des échantillons. Les matériaux PCC examinés étaient confectionnés de mortiers de ciment normal additionné de taux variables de solution aqueuse ou de résines époxy dispersibles et de polyélectrolytes anioniques ou cationiques. On a ensuite évalué la résistance mécanique (en compression et en flexion), les modifications dimensionnelles et structurelles à différents intervalles de conservation, en les comparant avec les mêmes paramètres pour des échantillons de mortier préparés selon les normes. Jusqu'ici les résultats montrent qu'on peut obtenir une forte réduction du rapport eau/ciment dans les matériaux PCC par addition de polymère. D'ouù il ressort que des méthodes appropriées de dosage et de conservation ainsi qu'une réduction optimale du rapport eau/ciment déterminent une augmentation remarquable de la résistance mécanique dans les matériaux PCC examinés.

     

Ultrasonic and laser measurements in structural contact problems

This paper deals with two experimental techniques recently set up by the authors which enable the study of contact problems between elastic bodies. The more widely used experimental techniques for determining the response of elastic bodies in unilateral contact include moiré fringes, holography and photoelasticity. The experimental techniques proposed here utilize either the ultrasonic pulse transit time method or the laser beam intensity method. Both techniques are applied to measure the relative displacements and the contact area of beam and plate models in unilateral contact with an elastic half-space model. The experimental results, compared with those obtained by numerical analysis, show the efficiency and validity of the measurement techniques proposed.

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Resume Cet article traite de deux techniques expérimentales récemment mises au point par les auteurs, qui permettent d’étudier les problèmes de contact entre corps élastiques. Les techniques expérimentales les plus largement utilisées pour déterminer la réponse des corps élastiques dans le contact unilatéral sont la méthode du moiré, l’holographie et la photoélasticité. On propose ici deux méthodes expérimentales: l’une par la mesure du temps de réflexion ultrasonique, l’autre par la mesure de l’intensité d’un rayon laser. On applique les deux techniques à la mesure des déplacements relatifs et de la surface de contact entre des modèles de poutre et de plaque en contact unilatéral avec un modèle de semi-espace élastique. Les résultats experimentaux, quand on les compare avec ceux obtenus par analyse numérique, montrent l’efficacité et la validité des techniques de mesure proposées.

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