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L’impression 3D permet de fabriquer des structures en disposant la matière aux endroits stratégiques, fabriquer des géométries creuses et limiter ainsi les ressources utilisées. Dans le cadre de l’impression 3D de béton à grande échelle appliqué au secteur de la construction, une optimisation et une étude du mélange utilisé sont nécessaires afin de ne pas consommer abusivement de ciments [1]. Cet article se propose d’utiliser des modèles d’empilement granulaire (notamment le modèle de l’empilement compressible [2]) pour formuler des bétons imprimables et réduire les quantités de ciments en en substituant une partie par des liants alternatifs. Le respect du cahier des charges pour un process d’impression 3D y est détaillé : pompabilité, extrudabilité et structurabilité. Les performances mécaniques de différents mix sont comparées, en flexion et compression puis sont ensuite validés lors d’une session d’impression 3D en laboratoire et en usine.

In the absence of a formwork, printable materials are expected to quickly increase their consistency in order to resist the self-weight of the structure being printed. Resolving this rheological requirement with the printing process is the key to successful printing. It is therefore necessary, from a material design, from a process design and from a daily quality control point of view, to have the ability to measure the relevant fresh properties. Because of the range of stresses of interest, there only exist a few standard tests in literature allowing for such an assessment while some new ones were developed in the last decade. The present paper aims at presenting some of these tests along with some preliminary data supporting their ability to capture the material properties of interest while discussing the remaining and related open research questions.

This work focuses on the reinforcement strategies for large scale additive manufacturing of cementitious materials. This new process allows an important geometrical complexity for constructive elements, generally consuming a lot of material and human resources. In addition, it makes it theoretically possible to industrialize the manufacture of singular constructive elements, for example optimized to meet a given mechanical load. However, there is currently no standardized reinforcement method for obtaining the tensile strength and ductility required for their use in building structures. This severely limits their use in practice.While many reinforcement methods are considered in the literature for the 3D-printed cementitious materials, they are a direct transcription of the traditional reinforcement methods such as fibre-reinforced concrete, passive reinforcement and post-tension method. This thesis work proposes an alternative reinforcement process, patented during this thesis work, which takes advantage of the specificity of the extrusion process. Many continuous reinforcements can be inserted before the extrusion die and driven by the flow of the cementitious material, the latter providing the force necessary for the unwinding of each individual continuous reinforcements. The extruded material is then a unidirectional cementitious matrix composite reinforced by many continuous fibers aligned in the direction of the printing path.This work then defines the specifications of the process in terms of rheological properties of the cementitious matrix at the time of deposition and the type of reinforcement to be preferred, allowing good cohesion between the reinforcements and the cementitious matrix necessary for the development of a significant tensile reinforcement. The mechanical behaviour of the interface is also precisely studied thanks to the development of dedicated micromechanical tests and the observation of the damage by X-ray microtomography. The perspectives of this work are the characterization and multi-scale modeling of the behavior of the cementitious matrix composite and the proposal of innovative constructive systems, Ce travail s’intéresse au renforcement des matériaux cimentaire mis en œuvre par fabrication additive à grande échelle. Ce nouveau procédé permet une complexité géométrique importante, généralement fortement consommatrice de moyens matériels et humains. De plus, il rend théoriquement possible l’industrialisation de la fabrication d’éléments constructifs singuliers, par exemple optimisés par répondre à un chargement mécanique donné. Cependant, il n’existe à l’heure actuelle aucune méthode de renforcement standardisée permettant d’obtenir la résistance en traction et la ductilité nécessaire pour leur utilisation dans les structures des bâtiments. Ce qui limite fortement leur utilisation dans la pratique.Si de nombreuses méthodes sont envisagées dans la littérature pour le renforcement des matériaux cimentaires mis en œuvre par impression 3D, celles-ci sont généralement calquées sur les méthodes traditionnelles du renforcement : bétons fibrés, armatures passives et câble de précontraintes. Ce travail de thèse propose un procédé de renforcement alternatif, breveté au cours de ce travail de thèse, qui tire parti de la spécificité du procédé d’extrusion. De nombreux renforts continus sont en effet insérés dans la filière d’extrusion, appelé ici tête d’impression et entrainé par le débit du matériau cimentaire, ce dernier fournissant la force nécessaire aux déroulements des renforts continus. Le matériau extrudé est alors un composite unidirectionnel à matrice cimentaire renforcé par de nombreuses fibres continues alignées selon la direction du parcours d’impression.Ce travail définit alors le cahier des charges du procédé en termes de propriétés rhéologiques de la matrice cimentaire au moment du dépôt et le type de renfort à privilégier permettant l’obtention d’une bonne adhérence des renforts à la matrice cimentaire, nécessaire au développement d’un renforcement significatif en traction. Le comportement mécanique de l’interface est par ailleurs étudié précisément grâce aux développements d’essais micromécaniques dédiées et l'observation de l’endommagement par microtomographie aux rayons X. Les perspective de ce travail sont la caractérisation et la modélisation multi-échelles du comportement du composite à matrice cimentaire et la proposition de systèmes constructifs innovants

National audience; Le présent travail présente une méthodologie de caractérisation des propriétés d’interface mortiers/fibres métalliques par la mise en oeuvre d’un test de «tension stiffening». Ce protocole expérimental s’inscrit dans une démarche de caractérisation de mortiers renforcés par fibres. Cependant, la dimension des corps d’épreuve complique fortement l’utilisation d’outils de mesure standards (extensomètre, jauge de déformation,...) et nous pousse à privilégier une mesure par corrélation d’images numériques 2D (CIN 2D). Mais, pour notre application, un système classique à une caméra présente des limites à cause de sa grande sensibilité aux mouvements hors du plan objet, notamment pour une caméra équipée d’un objectif endocentrique classique. Nous proposons ici une méthodologie intermédiaire entre la CIN 2D et la stéréovision, qui par l’ajout d’une caméra supplémentaire mais sans calibration, permet de maintenir l’erreur commise sur la mesure de déformation à un niveau suffisamment bas pour l’application souhaitée.

International audience; This paper presents the design and fabrication of an innovative structure, spanning 6.5m with a structural thickness of 12cm. The structural system derives from nexorades, also called reciprocal frames by some authors, obtained by a novel form-finding method based upon translation of the edges. It also allows for the covering with planar facets if the geometry before transformation is covered with planar facets. This property is used for the pavilion, covered with planar timber panels used as bracing elements. The benefit of this structural system, called shell-nexorade hybrid is discussed through a comparative study between the braced and un-braced nexorade (the stiffness is multiplied by ten adding only 30% mass). Finally, the fabrication process, achieved through robotized milling of the beams, is shown, illustrating the potential of pluri-disciplinary approach for conceptual design.