Dommages dus au gel-dégel, quantifiés à l'échelle microstructurale

Les cycles de gel-dégel constituent un défi majeur en matière de durabilité pour les matériaux cimentaires utilisés dans les régions froides. Alors que les essais sur matériaux massifs ne permettent de saisir que les conséquences des contraintes à l'échelle macroscopique (par exemple, perte de rigidité, réduction de la résistance, augmentation de la perméabilité), l'observation de l'évolution des dommages à l'échelle des pores permet, en revanche, d'étudier les mécanismes sous-jacents qui sont à l'origine de la dégradation et, finalement, de la fissuration.

Un article récemment publié en libre accès dans Materials & Design comble cette lacune en utilisant la microtomographie à rayons X à intervalles réguliers (micro-CT) et la segmentation par apprentissage profond pour suivre l'évolution des dommages à l'intérieur d'un composite cimentaire renforcé de fibres de polyester sur 100 cycles de gel-dégel .

Étude en un coup d'œil

Article : Dommages microstructuraux induits par le gel-dégel dans les composites cimentaires renforcés de fibres de polyester révélés par microtomographie aux rayons X

Approche d'imagerie : Microtomographie à rayons X haute résolution (voxel de 11 µm) répétée à plusieurs moments sur le même échantillon

Approche analytique : Segmentation par apprentissage profond pour séparer les phases d'un composite hétérogène où les niveaux de gris se chevauchent

Ce que les chercheurs ont découvert

Lors de cycles de gel-dégel dans des conditions saturées dans un système fermé, les auteurs signalent une nette augmentation des dommages et d'importantes tendances spatiales :

  • La fraction volumique des pores et des fissures est passée de 10,0 % à 21,0 %, avec des maxima locaux atteignant 24,8 % après 100 cycles.
  • Les fibres de renforcement en polyester ont localement amplifié la fissuration, avec des effets de concentration de contraintes se produisant autour des interfaces fibre-matrice.
  • Il a été démontré que la géométrie et la connectivité du réseau de pores influencent le point d'apparition des dommages et leur propagation au fil des cycles.
  • Une interprétation thermomécanique a identifié le désaccord de dilatation thermique entre la glace et la matrice de ciment comme le mécanisme de fissuration dominant dans les conditions de saturation complète de l'étude.

Où Dragonfly 3D World pris en charge le flux de travail

L'équipe a utilisé Dragonfly 3D World pour faciliter l'analyse d'images nécessaire à la comparaison micro-CT en temps réel, en mettant l'accent sur la segmentation et le suivi de la progression des dommages grâce à des scans répétés.

L'un des principaux défis posés par cet ensemble de données réside dans le chevauchement possible des différentes phases en niveaux de gris, ce qui rend la segmentation traditionnelle par seuillage peu fiable. Les auteurs ont résolu ce problème en utilisant une approche de segmentation par apprentissage profond afin d'obtenir une séparation de phase fiable au sein d'un composite complexe et hétérogène.

Dans les notes fournies par l'utilisateur, ce dernier a spécifiquement mis en évidence 3D World valeur de :

  • Segmentation de matériaux hétérogènes où les niveaux de gris de phase se chevauchent
  • Suivi et segmentation de l'évolution des fissures au cours des cycles de gel-dégel
  • Création d'un flux de travail permettant une analyse reproductible à différents moments

Pourquoi c'est important

En combinant la microtomographie à rayons X en temps réel avec la segmentation par apprentissage profond, ce travail offre un modèle pratique pour étudier les dommages causés par le gel-dégel en 3D, permettant non seulement d'identifier l'apparition des dommages, mais aussi de quantifier l'évolution des réseaux de pores/fissures et de relier ces observations à des mécanismes de fissuration physiquement fondés.

C'est également un excellent exemple de la façon dont l'analyse avancée d'images CT peut aider à traduire des scans haute résolution en informations sur les mécanismes que les équipes chargées des matériaux et des infrastructures peuvent exploiter, notamment dans les applications en régions froides où la durabilité au gel-dégel est une contrainte clé.

Lisez le journal

L'article complet est disponible en accès libre dans la revue Materials & Design : https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115256

Reconnaissance

Sophie Jung 1 , Jordan Harvey 2 , Hubert Taieb 3 , Sam Bhat 4 , Nicolas Piche 3 , Mahya Roustaei 5 et Pooneh Maghoul 1

  1. Département de génie civil, géologique et minier, Polytechnique Montréal, Montréal, Québec, Canada
  2. Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère, Université de l'Alberta, Edmonton (Alberta), Canada
    3. Comet Technologies Canada Inc., Montréal, Québec, Canada
    4. Titan Environmental Containment Ltd., Îles des Chênes, Manitoba, Canada
    5. Département de génie civil, Université de Gand, Laboratoire de géotechnique, Technologiepark 68, 9052 Zwijnaarde, Belgique

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