Les liants ettringitiques dont la composition est formée principalement par du ciment d’aluminate de calcium et par du sulfate de calcium, sont très utilisés dans le cadre des mortiers techniques pour des applications telles que les mortiers de ragréage, les chapes autonivelante, les mortiers de réparation…. en raison de leurs propriétés de durcissement rapide et de résistance initiale élevée. Néanmoins, en fonction de la quantité des matières premières utilisées dans la composition et de leur nature, ces liants peuvent présenter à jeune âge ainsi qu’à long terme, des comportements différents. En particulier et dans le cadre de ce travail, l’influence de la nature et du dosage en sulfate de calcium sur l’hydratation des mortiers ettringitiques comme le début de prise, le changement de l’état liquide à l’état solide, les variations dimensionnelles, la résistance et le vieillissement à long terme (jusqu’à 330 jours) pour différentes conditions de conservations ont été déterminées. Ces caractéristiques ont été évaluées selon différentes techniques expérimentales de rhéologie, de mesure des variations volumiques, de calorimétrie isotherme, de spectroscopie infrarouge, de porosimétrie par intrusion de mercure, de diffraction des rayons X et thermogravimétrie. / The ettringite binder whose composition is mainly formed by the calcium aluminate cement and calcium sulfate, are widely used in mortars for technical applications such as patching mortars, the self -leveling screeds, repair mortars etc… thanks to their fast hardening ability and high early strength. However, depending on the amount and types of raw materials used in the composition, the properties of these types of binder have different behaviors at early age and at long-term. And in particular in this work, the influence of the nature and dosage of calcium sulfate on the consequences of ettringite mortars hydration as the beginning of setting time, the change from the liquid state to the solid state, dimensional change, the resistance, porosity, the progress of hydration and ageing until 330 days at different conservation conditions were determined. These characteristics were assessed by different experimental techniques such as rheology, chemical shrinkage, autogenous shrinkage, isothermal calorimetry, infrared spectroscopy, mercury intrusion porosimetry, X-ray diffraction, Thermogravimetric analysis.

L’objectif de la thèse est de comprendre le comportement géochimique de l’arsenic dans les remblais miniers en pâte cimentés. Cette technique est employée depuis plusieurs années pour remblayer les galeries de mine exploitées à l’aide des rejets de concentrateurs. Pour cette étude, deux types de remblais sont élaborés en laboratoire : des échantillons de remblai minier en pâte synthétiques, fabriqués à partir de silice et enrichis artificiellement en arsenic, et des remblais miniers en pâte élaborés à partir de rejets miniers arséniés. Dans les deux cas, différents liants cimentaires sont testés. Plusieurs types d’investigations sont menés sur les échantillons de remblai en pâte cimentés. Une caractérisation minéralogique est effectuée à l’aide de divers outils. En parallèle, les échantillons de remblais sont soumis à différents tests de lixiviation complémentaires, afin d’évaluer la mobilité/rétention de l’arsenic dans ces matrices. Enfin, une modélisation géochimique est mise en œuvre à partir des résultats issus des deux études précédentes, afin d’affiner les connaissances sur la nature et la stabilité des composés arséniés dans les remblais étudiés. Les résultats obtenus indiquent que l’arsenic est mieux stabilisé dans les matrices à base de ciment Portland et de laitier de haut-fourneau que dans les remblais à base de cendres volantes. Le comportement à la lixiviation variable d’une matrice à l’autre s’explique par des spéciations et des mécanismes de piégeage de l’arsenic variés. L’arsenic peut précipiter sous forme de minéraux arséniés, principalement sous forme d’arséniates de calcium, mais aussi de divers autres composés secondaires variables d’une matrice à l’autre. Un piégeage physique des grains de rejets miniers arséniés par les hydrates cimentaires peut aussi avoir lieu, par formation d’un revêtement limitant l’oxydation des sulfures porteurs d’arsenic. Tous ces mécanismes interviennent dans la stabilisation/solidification de l’arsenic. / The objective of this study is to understand the geochemical behaviour of arsenic in cemented paste backfills. This technique consists in transporting the tailings in the mine openings. Two types of backfills are prepared in the laboratory for this study. First, synthetic cemented paste backfills artificially spiked with arsenic are synthesized, using silica in replacement of the tailings. In parallel, other cemented paste backfill specimens are prepared with arsenic-rich tailings. In the two cases, various types of hydraulic binders are tested. Several types of investigations are conducted on the cemented paste backfill specimens. A mineralogical characterization is carried out with the help of specific tools. At the same time, cemented paste backfill samples are submitted to several complementary leaching tests, to assess the mobility/immobilization potential of arsenic in these matrices. Finally, geochemical modeling is implemented, based on the results of the two previous studies, in order to refine the understanding of the nature and stability of the arsenic compounds. The results show that arsenic is better immobilized in Portland cement and slag-based matrices, rather than in fly ash-based matrices. The variable leaching behaviour from a given matrix to another is due to different arsenic trapping mechanisms. Arsenic can precipitate and form several arsenic minerals, mainly calcium arsenates, but also various other secondary compounds, which are different from a matrix to another. Physical entrapment of the tailings grains by the cementitious minerals can also occur, by formation of a coating around the grains, limiting the oxidation and dissolution of arsenic-bearing sulfides (passivation). These mechanisms are involved in the stabilization/solidification of arsenic by cemented paste backfills.

Les sulfates de calcium sont des matériaux économiques et écologiques. Pourtant leur utilisation dans le domaine de la construction est assez limitée du fait de leur sensibilité à l’eau. La capacité des ciments alumineux (CAC) à diminuer la sensibilité à l’eau des sulfates de calcium ainsi que les mécanismes d’insensibilisation ont été étudiés. L’insensibilisation à l’eau des sulfates de calcium a été réalisée par ajout de faibles quantités de ciment alumineux (≤ 30%). Quatre sulfates de calcium de nature différente : gypse, hémi-hydrate α et β, anhydrite synthétique ont été étudiés. L’étude des mécanismes d’insensibilisation à l’eau des sulfates de calcium par ajout du ciment Fondu, menée à différentes analyses de la microstructure : IR, DRX, ATD-TG, MEB, a mis en évidence deux approches : la formation de l’ettringite insoluble et la formation du gel d’AH3 qui colle les grains de sulfate de calcium soluble. La nature des phases cristallochimiques du ciment alumineux a des influences sur les caractéristiques mécaniques, la sensibilité à l’eau ainsi que la durabilité des mélanges [sulfate de calcium / CAC]. L’étude des mélanges [anhydrite synthétique / laitier / CAC] offrent des perspectives intéressantes notamment concernant le développement des liants à faible empreinte CO2. / Calcium sulphate materials are economical and ecological. But their use in the construction is quite limited because of their sensibility to water. The capacity of aluminate cement (CAC) to decrease the water sensibility of calcium sulphate and the mechanisms of insensibilisation were investigated. Waterproofing of gypsum base materials was carried out by addition of small amounts of aluminate cement (≤ 30%). Different nature of calcium sulphates : gypsum, hemihydrate α and β, synthetic anhydrite was studied. The study of mechanisms of insensibilisation to water of calcium sulphate by adding cement Fondu, with different analysis of microstructure : IR, DRX, ATD-TG, MEB, revealed two approaches : formation of ettringite insoluble and formation of gel AH3 that stick soluble grains of calcium sulphate. The nature of phases of aluminate cement has influences on the mechanical properties, sensibility to water and durability of mixtures [calcium sulphate / CAC]. The studies of mixtures [synthetic anhydrite / slag / CAC] offer interesting perspectives for the development of binders with low imprint CO2.

Les présents travaux, à caractère expérimental et numérique, visent à approfondir la connaissance du comportement de structures en béton armé renforcées/réparées par matériau composite à matrice minérale. Ils s’inscrivent dans le cadre du projet FUI KENTREC qui vise la formulation, le développement, la caractérisation et la validation d’un nouveau revêtement d’étanchéité pour réservoirs d’eau potable. L’objectif principal de cette thèse est donc la mise au point d’un composite à matrice minérale qui réponde au cahier des charges établi sur la base de la destination de ce matériau, à savoir, l’étanchéité des réservoirs d’eau potable. La mise au point comprend la formulation du matériau, l’évaluation de ses performances mécaniques, ainsi que la qualification des performances atteintes quant au renforcement de structures en béton armé. Deux échelles d’étude ont donc été retenues dans le cadre de la partie expérimentale, l’échelle du matériau, dans le but de formuler une matrice de « TRC » (Textile Reinforced Concrete) en fonction du cahier des charges, et l’échelle de la structure, avec l’application de ce matériau pour le renforcement et la réparation de structures en béton et en béton armé. Une campagne expérimentale de flexion portant sur des éprouvettes en béton et sur douze « poutres » en béton armé a permis, au-delà de la mise en exergue des bonnes performances en termes de capacité portante, d’analyser à l’échelle locale l’efficacité du composite à ponter la fissure et d’endiguer son ouverture. L’application visée étant l’utilisation de ce composite en milieu humide (réservoirs d’eau), les effets de deux différentes conditions de conservation de la structure renforcée/réparée par composite, avec soit l’immersion dans l’eau soit dans l’air, sont étudiés. Pour la partie numérique, ce travail vise à établir une modélisation des structures en béton ou en béton armé renforcées par ce type de composite TRC. La modélisation établie, s’appuie sur des lois de comportement non-linéaires des matériaux constitutifs (béton, acier, composite TRC) est confrontée à plusieurs échelles, aux résultats expérimentaux. La bonne concordance qualitative et quantitative entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux au niveau des courbes charge-flèche, permet de valider la modélisation proposée à l’échelle globale. Au niveau local, on constate une assez bonne concordance du numérique et de l’expérimental, au niveau de la déformation de l’acier longitudinal, du béton, du composite, du schéma de fissuration, du champ de déplacement horizontal. Enfin, une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence de l’épaisseur du renfort composite TRC sur le comportement global et local de la structure. / This study, using both experimental and numerical approaches, will help to better understand the behavior of structure strengthened/repaired by composite based on mineral matrix. It especially focuses on the study of a new coating for drinkable water reservoirs without bisphenol A. The main objective of this thesis is development of a mineral matrix composite. Feasibility, performances and behavior of composite are examined. The experimental program involves different levels of analysis. At material level, the formulation and characterization of a mineral matrix are studied. At structure level, the application of this composite for the strengthening and repair of concrete and reinforced concrete structures is considered. A bending experiment on concrete specimens and the study of twelve reinforced concrete beams submitted to four point bending load, allows presenting good disposition in terms of bearing capacity. Secondly, the local analysis highlights the efficacy of the composite to bridge the crack and stop opening propagation. The effect of two different conservation conditions of beams with TRC (immersion in water compared to in air) was studied. The objective is evaluating the pertinence of TRC conserving in the water environment to apply in the concrete water reservoir structure. The effect evaluation of load history of structures on the efficacy strengthened/repaired of TRC composite is presented. It seems that the pre-cracking does not influence on the qualitative and quantitative behavior of the structure. Concerning the numerical approach, this work aims to establish a numerical model of concrete structure and reinforced concrete structure strengthened/repaired by TRC composite materials. The model, which is based on non-linear behavior laws for the constitutive materials (concrete, steel and TRC composite), is compared, at several scales, with experimental results. The good agreement, both qualitative and quantitative, between the model used and the results as expressed in the load-deflection curves validates the proposed model at a global scale. At local level (longitudinal deformation of the steel, deformation of the concrete, deformation of the TRC, cracks opening…) the digital-experimental comparison confirms a good qualitative and, the quantitative agreement. Finally, the parametric study allows to evaluate the influence of the thickness of the composite TRC (indirectly, the reinforcement ratio of beam), and the influence of the pre-cracking configuration on the global and local behavior of the structure.