Poromechanical approach describing the moisture influence on the non-linear quasi-static and dynamic behaviour of porous building materials

Abstract

The non-linear quasi-static and dynamic elastic behaviour of Berea sandstone has been experimentally analysed showing hysteresis and a strong influence of moisture especially in the lower saturation range. It is shown that non-linear hysteretic response originates within the “bond system” of the material, that includes microcracks, intergrain contacts, asperities, dislocations, ... Hysteresis or non-classical non-linear behaviour is explained by the fact that the defects do not open and close at the same pressure. In dynamic loading a small number of these defects are activated explaining the higher stiffness compared to quasi-static loading, where a lot of defects are closed or opened. These effects can be adequately described in the framework of the so-called P-M (Preisach-Mayergoyz) space model.

In the framework of poromechanics we show that the moisture influence on the non-linear elastic behaviour cannot be described by the effective stress concept. Two coupling coefficients (a classical and non-classical) are introduced to describe the fluid-solid coupling. These coupling coefficients are found not to be uniquely proportional to the degree of saturation (or volumetric water filling of the pore structure). The analysis of the experimental data show that, in the fine pore range situated in the bond system (clay, silica glue) where high fluid-solid interaction forces take place, the coupling coefficient increases proportional with fluid saturation. However, in an intermediate pore range the coupling coefficients decrease indicating less solid-fluid interaction in the coarse pore structure.

Résumé

L'analyse experimentale du comportement élastique non-linéaire quasi-statique et dynamique de la pierre calcaire Berea démontre une hystérèse et une forte influence de la teneur en humidité, spécialement à basse saturation. Il est démontré que la réponse hystérétique non-linéaire provient du “système liant” du matériau, ce qui inclus les micro-fissures, les contacts intergrain, les aspérités, les dislocations, etc. L'hystérèse, ou comportement non-linéaire non-classique, s'explique par le fait que les défauts ne s'ouvrent ou se ferment pas tous à la même pression. En chargement dynamique, un faible nombre de ces défauts est activé, ce qui explique une rigidité supérieure à celle obtenue en chargement quasi-statique, où une grande proportion de défauts s'ouvrent ou se ferment. Ces effets sont adéquatement décrits par le truchement du soi-disant modèle d'espace P-M (Preisach-Mayergoyz).

D'un point de vue poromécanique, il est démontré que l'influence de la teneur en humidité sur le comportement élastique non-linéaire ne peut être décrite par le concept de contrainte effective. Deux coefficients de couplage (un classique et un non-classique) sont introduits pour décrire le couplage liquide-solide. Ces coefficients de couplage ne varient pas seulement proportionnellement au degré de saturation (volume d'eau dans la structure poreuse). L'analyse des données expérimentales démontre que, pour les plus petits pores du système liant (argile, colle de silice) où de fortes interactions liquide-solide ont lieu, la valeur du coefficient de couplage augmente proportionnellement avec la saturation liquide. Cependant, pour les pores de grosseur intermédiaire, la valeur des coefficients de couplage diminue, indiquant qu'il y a moins d'interactions solide-liquide dans une structure plus grossière.