Le séchage de matériaux cimentaires conduit à des microfissures, ce qui a des conséquences importantes sur les propriétés mécaniques et de transport. L’objectif de cette étude est d’analyser l’évolution de la microfissuration des matériaux cimentaires au cours du séchage et de mieux comprendre les mécanismes associés. Ce travail présente une étude expérimentale et numérique sur la microfissuration. Les expériences sont réalisées afin d’étudier l’effet du séchage et le rôle des granulats. L’étude de la structure interne et la propagation des fissures est menée par microtomographie par rayons X. Les influences de la rigidité et de l’état de surface d’inclusions sur l’apparition de la fissuration sont mises en évidence. D’autre part, une série d’essais mécaniques est mise en œuvre sur la pâte de ciment pour comprendre le comportement mécanique de ce matériau et servir à l'identification des paramètres du modèle dans l’étude numérique. Des modélisations numériques sont alors proposées afin d'investiguer les mécanismes associés à la microfissuration observée expérimentalement. Ces modélisations sont réalisées dans le cadre de la poromécanique des milieux partiellement saturés, et le matériau est considéré comme biphasique : des inclusions noyées dans une matrice poreuse cimentaire (modèles élastique, élasto-plastique et endommagement). Les résultats permettent d'accéder à la distribution des contraintes et reproduisent la fissuration observée. L’influence du comportement de la matrice et de la rigidité des inclusions est étudiée. Enfin, une modélisation préliminaire sur la base d'éléments finis étendus se focalisant sur les effets de l'interface pâte-inclusions est proposée. / Drying process of cementitious materials leads to microcracks, which has important consequences on transport and mechanical properties. The aim of this study is to investigate the evolution of microcracking of cementitious materials during drying and better understand the associated mechanisms. This work presents both an experimental study and a numerical simulation of drying shrinkage microcracking. The experiments are performed in order to study the effect of drying and the role of the aggregates. The study of the internal structure and crack propagation is conducted by X-ray microtomography. The influences of the stiffness and the surface roughness of inclusions on the occurrence of cracking are highlighted. Moreover, a series of mechanical tests is performed on the cement paste to understand the mechanical behaviour of this material and to use for identification of the model parameters in the numerical study developed in the framework of this thesis. Numerical models are then proposed to investigate the mechanisms associated with experimentally observed microcracks. These modellings are performed under the framework of poromechanics in partially saturated medium, and the material is considered as biphasic: the inclusions embedded in a porous cement matrix (elastic models, elastoplastic and damage). The results of numerical simulations allow access to the stress distribution and reproduce the observed cracking under microtomography. The influences of matrix behaviour and stiffness of inclusion are studied. Finally, a preliminary modelling based on extended finite element method focusing on the effects of paste-inclusions interface is proposed.

La biocicatrisation, reposant sur la formation de carbonate de calcium (CaCO3) biosourcé au sein des matériaux cimentaires fissurés, est une alternative durable et écologique aux résines synthétiques. Cette thèse a pour objectif de créer une méthode de biocicatrisation de fissures d’ouvertures comprises entre 150 et 500 µm, en y injectant des bactéries par le biais d’un milieu épaissi favorisant la précipitation de CaCO3 biosourcé. Ce travail de thèse repose sur trois axes : la conception d’un milieu épaissi injectable, l’optimisation de la bioproduction de CaCO3 par la souche bactérienne B. pseudofirmus dans le milieu épaissi, et la biocicatrisation de matériaux fissurés à différentes échelles allant de l'éprouvette de mortier à la dalle de béton, in vitro et in situ. Les essais réalisés ont permis de formuler une suspension thixotropique et rhéofluidifiante à base de Welan et d’Attagel, pouvant être injectée efficacement et sans drainage dans des fissures de 150 à 800 µm d’ouverture. L’ajout d’épaississants n’a pas d’impact sur la croissance bactérienne et augmente la production de CaCO3 par les bactéries. A l’issue du traitement de biocicatrisation, la bioproduction de CaCO3 au sein des fissures a pu être démontrée par microscopie. Celle-ci, combinée avec le dépôt d’argile formé dans les fissures, contribue à leur colmatage et des fissures de 200 µm ont pu être totalement colmatées. Cette thèse a permis de mettre au point une méthode de biocicatrisation se démarquant par sa facilité d’emploi et le cumul entre colmatage abiotique et biologique. / Bio-healing, which relies on the clogging of cracks with bacterial calcium carbonate (CaCO3), is a durable and environment-friendly alternative to synthetic resins. This project aims to design a bio-healing method allowing to repair cracks from 150 to 500 µm wide, through the injection of bacteria using a thickened medium which enhances CaCO3 bioproduction. To achieve this goal, the work was organized according to three phases: the creation and characterization of an injectable thickened medium, the optimization of bacterial growth and bioproduction of CaCO3 in the thickened medium, and bio-healing tests on cracked materials, in a controlled environment and outdoors for both lab and pilot scale. During the rheological experiments, we created a thixotropic and shear-thinning suspension using two thickeners in combination, Welan and Attagel. This suspension can be efficiently injected into 150 and 800 µm wide cracks without post-injection drainage. Adding thickeners does not alter bacterial growth, and increases CaCO3 bioproduction. Biocicatrisation tests revealed that the use of a thickened suspension contributes to sealing of cracks as it dries to form a solid film inside the cracks, and embed the bacteria so they could precipitate significant amounts of CaCO3 despite the constraints of in situ conditions. At the end of the bio-healing treatment, the strain B. pseudofirmus has been proven to precipitate CaCO3 through SEM observations. The experiments which have been performed during this PhD led to the creation of a bio-healing method which holds a true potential for commercial use, as it is particularly easy to use and combines biotic and abiotic sealing of the cracks.

La présente étude s’inscrit dans le programme d’actions de l’Industrie du béton ; elle a pour but de rechercher des solutions innovantes de béton à faible impact environnemental qui permettent l’obtention de performances techniques et économiques au moins équivalentes à celles des bétons traditionnels. Pour répondre à cet enjeu, l’étude de liants ternaires constitués de ciment Portland CEM I, laitier de haut fourneau et addition calcaire a été réalisée en optimisant les moyens disponibles en préfabrication pour accélérer leur durcissement : emploi d’un traitement thermique, utilisation d’activateurs chimiques et optimisation de la compacité du mélange. Le traitement thermique s’avère être le plus puissant levier d’action. Les solutions développées (matériau et procédé) permettent d’obtenir un bilan économico-environnemental meilleur que celui d’un béton témoin dont le liant est uniquement composé de ciment Portland CEM I. / This study is part of the action program of the french concrete industry; it aims finding innovative solutions of concrete with low environmental impact, which allow to get technical and economic performances at least equivalent to those of the traditional concretes. To answer this issue, the study of ternary binders, made of Portland cement CEM I, blast furnace slag and limestone addition, was realized by optimizing the means that are available in precast industry to accelerate their hardening: use of a thermal treatment, use of chemical activators and optimization of the mixture’s compactness. Thermal treatment proves to be the most powerful lever of action. The developed solutions (material and process) obtain a much better economic-environmental balance compared to a control concrete whose binder is composed of Portland cement CEM I.

L’amélioration des techniques de caractérisation des granulats de béton recyclé (GBR) et une meilleure compréhension des propriétés des bétons fabriqués avec ces derniers permettraient de promouvoir l’utilisation des GBR. Ce travail vise à étudier l’influence de l’état de saturation des sables recyclés (SR) sur le comportement à l’état frais et durcissant des mortiers.La première partie de ce travail consiste à étudier l’absorption d’eau d’un SR par différentes méthodes. Les résultats montrent que l’absorption d’eau du SR est plus importante que celle du sable naturel (SN). Cependant, la valeur d’absorption d’eau du SR dépend étroitement de la méthode employée et du mode de pré-saturation. La deuxième partie est dédiée à l’influence de l’état de saturation sur la maniabilité des mortiers. Les résultats montrent que l’état de saturation initial, le mode de pré-saturation et le temps de pré-saturation influencent significativement la maniabilité des mortiers. L’influence de l’état de saturation du SR sur le comportement à l’état durci est ensuite étudiée à partir de deux mortiers contenant du SR à l’état sec et sursaturé. La microstructure est examinée au microscope électronique à balayage (MEB) associée à l’analyse d’images et également par essai d’indentation sous MEB. La résistance des mortiers contenant du SR est moins importante que celle des mortiers contenant du SN. L’état de saturation initial du SR influence peu la résistance en compression, la méso-porosité totale de la nouvelle zone d’interface (ITZ) et la dureté de la matrice cimentaire. En revanche, l’état de saturation du SR influence significativement la distribution de la méso-porosité dans la nouvelle ITZ. / Improved techniques of characterization of recycled concrete aggregate (RCA) and a better understanding of the properties of concrete based on RCA would promote their use. The aim of this work is to study the influence of the state of saturation of RCA, especially of recycled sand, on the fresh and hardened behavior of mortars. The first part of this work is dedicated to the study of water absorption of recycled sand (RS) by different methods. The results show that the water absorption of RS is greater than that of natural sand (NS). However, the water absorption value of the RS is closely related to the used method and the pre-saturation mode. The second part is dedicated to the influence of the saturation state of aggregates on the workability of mortars. The results show that the initial saturation state, the pre-saturation mode and the pre-saturation time significantly influence the workability of the mortars. The influence of the saturation state of recycled aggregates on the hardened behavior of mortar is then studied with two mortars based on recycled dry or over-saturated sand. The microstructure is explored by scanning electron microscopy (SEM) followed by image analysis and by indentation test under the SEM. The compressive strength of mortars containing RS is lower than that of mortars made with NS. Moreover, the initial saturation state of RS does not influence significantly the compressive strength of mortars, the mean porosity of the new interfacial transition zone (ITZ) and the micro-hardness of the cement matrix. However, the saturation state influences significantly the distribution of meso-porosity in the new ITZ.

Les études de cette thèse sont centrées sur la caractérisation expérimentale de la durabilité des bétons pour l’Andra (Agence Nationale de gestion des Déchets RadioActifs), notamment pour l’étude de la faisabilité du stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde. Dans ce contexte, les bétons sont soumis à des sollicitations couplées : variation de contraintes lors de l’excavation des galeries, variation de saturation due à la ventilation, mise en pression de gaz dans l’ouvrage, variation de température due aux déchets exothermiques... Il est donc nécessaire d’acquérir de nouvelles données expérimentales afin de caractériser finement les processus thermo-hydro-mécaniques impliqués, à court et à long termes. Les recherches sont réalisées sur les bétons de référence de l’Andra, fabriqués à base de ciment CEM I et CEM V/A. A court terme, différents essais cherchent à mettre en évidence l’évolution du comportement mécanique multiaxial des bétons en fonction de la saturation et de la température. A long terme, des essais de fluage (uniaxial et multiaxial) visent à analyser le comportement mécanique différé de ces bétons sous température ou lors d’un séchage par paliers d’humidité relative contrôlée. / Studies of this paper are focused on the experimental characterization of concrete durability for Andra (National Agency for Radioactive Waste Management), and notably in order to study the feasibility of radioactive waste storage in deep geological rocks. In that context, the concretes are subjected to coupled mechanisms: stress variation due to cavity excavation, change of water saturation degree due to ventilation and gas pressure, variation of temperature due to exothermic waste… Therefore, it is necessary to acquire new experimental data for an adequate characterization of short and long-term thermo-hydro-mechanical couplings. Researches are carried out on Andra reference concretes made from cement CEM I and CEM V/A. In the short term, various tests highlight the evolution of multiaxial mechanical behaviour of concrete as a function of saturation and temperature. In a long-term view, creep tests (uniaxial and multiaxial) are performed to study the delayed effects of mechanical behaviour under temperature or during drying by small controlled steps in relative humidity.

Les travaux rapportés dans ce mémoire de thèse visent à proposer des solutions industriellement viables pour accélérer le durcissement du laitier granulé moulu de haut fourneau dans les produits en béton à travers une synergie entre l’activation chimique et thermique. Ces solutions doivent également être à la fois durables et environnementalement bénéfiques. Plus précisément, il s’agit d’obtenir sur des bétons incluant une forte teneur en laitier de haut fourneau, des résistances à court terme équivalentes à celles obtenues sur des bétons à base de ciment Portland de type CEM I 52,5, en se plaçant dans des conditions représentatives de celles de l’industrie de la préfabrication. L’objectif de résistance à la compression a donc été fixé à 23,4 MPa à 8 heures après traitement thermique à 65 °C. L’activation par voie chimique des laitiers seuls ou en présence de ciment Portland a été l’objet principal des travaux expérimentaux menés sur mortier. Sous couvert de valider leur durabilité, les solutions développées sont en plusieurs points plus avantageuses que la référence à base de ciment Portland de type CEM I 52,5. / The reported study aims to propose industrially viable solutions in order to accelerate the hardening of ground granulated blast furnace slag in precast concrete products thanks to both chemical and thermal activations. These solutions also have to be durable and environmentally friendly at the same time. More precisely, concrete with high content of slag should reach equivalent short term performance to CEM I 52.5 Portland cement based concrete, when placed in representative conditions of precast concrete industry. An objective of compressive strength was fixed at 23.4 MPa at 8 hours after thermal treatment at 65 °C. Thus, chemical activation of slag only or blended with Portland cement has been the main subject of the experimental works carried out on mortars in order to reach the objective previously defined. On condition that their durability is validated, the solutions that have been developed are by several aspects more advantageous than the CEM I 52.5 Portland cement based reference.

L’objectif de cette thèse est de caractériser les comportements mécanique et hydromécanique des bétons, et de développer une modélisation hydromécanique couplée pour les bétons sous une large gamme de confinement en conditions saturées et partiellement saturées. Une campagne expérimentale est tout d’abord réalisée afin de bien étudier le comportement mécanique et hydromécanique du matériau. Un accent particulier est mis sur l’évolution de la perméabilité au cours du chargement mécanique. Afin d’assurer l’intégrité de ces structures et d’éviter les chemins privilégiés pour le transfert de fluides, une autre série d’essais ont été réalise afin de bien étudier le comportement mécanique et hydromécanique de la fracture dans le béton. En se basant sur les données expérimentales obtenues et des travaux de recherche menés sur le béton sous pression de confinement faible et élevée, un modèle élastoplastique couplé à l’endommagement est proposé. Ce modèle est capable de décrire le principal comportement mécanique des bétons sous une très large gamme de pression de confinement : les différents mécanismes plastiques développés, la dissymétrie d’endommagement en compression et en traction, et l’évolution de la perméabilité au cours du chargement mécanique, etc.…. Le modèle a été étendu au couplage poromécanique en milieux poreux partiellement saturés en utilisant le concept de Barcelone. Enfin, un modèle poromécanique est proposé afin de décrire le comportement des fractures en conditions saturées. Les résultats numériques sont en accord avec les données expérimentales. / The objective of this thesis is to characterize the mechanical and hydromechanical behavior of concrete and to develop a coupled hydromechanical model for concrete submitted a wide range of confining pressure under the saturated and partially saturated conditions.First of all, an experimental study was carried out in order to research the mechanical and hydromechanical behaviors of the material. Particular emphasis is placed on the evolution of permeability during mechanical loading. To ensure the integrity of concrete structures and avoid the privileged paths for fluid transfer, another series of tests were carried out in order to study the mechanical and hydromechanical behavior of fracture in concrete. Based on the obtained experimental data and the others research results of the concrete behavior under a large range of confining pressure, an elastoplastical model coupled with damage is proposed. This model is able to describe the main mechanical behavior of concrete under a wide range of confining pressure: the different mechanisms of developed plastics, the asymmetry of damage in compression and in tension, and the evolution of permeability during mechanical loading. .... The model was extended to the poromechanical coupling for the porous media partially saturated by using the concept of Barcelona. Finally, a poromechanical model is proposed to describe the behavior of fractures in saturated conditions. The numerical results manifested a good agreement with experimental data.

La biodétérioration de mortiers a été étudiée au cours d’un essai spécifique mettant en œuvre Halothiobacillus neapolitanus comme bactérie sulfo-oxydante (BSO) neutrophile et Acidithiobacillus thiooxidans comme BSO acidophile. Cet essai a permis de réaliser en laboratoire une succession bactérienne comme observée in situ dans les tuyaux d’égout. L’originalité de l’essai provient de l’approche pluridisciplinaire considérant l’impact du mortier sur les BSO, l’évolution de la microstructure et de la chimie du mortier. L’intensité de l’attaque a été définie par un indice d’attaque (IA) qui prend en compte la production d’acide sulfurique des BSO, les relargages d’éléments chimiques du mortier et son évolution physique. Quelle que soit la BSO considérée, le mortier à base de ciment d’aluminate de calcium (CAC) présente une meilleure résistance, donc un IA plus faible, que le mortier à base de ciment Portland (OPC). La meilleure performance du mortier CAC, plus prononcée avec H. neapolitanus, n’a pu être reliée au relargage plus important de l’aluminium en solution. Par contre, il a été montré qu’en présence du mortier CAC, H. neapolitanus diminue plus rapidement le pH du milieu à 3 et accumule du tétrathionate et du soufre en solution. Cette accumulation induit une moindre biogénération d’acide, d’où la moindre attaque du mortier. Ainsi, la performance du mortier CAC est essentiellement due à sa résistance à la biodétérioration pendant la phase neutrophile quand l’attaque est faible. Ainsi, pour estimer la performance potentielle de formulations de mortier, il semble préférable de faire des essais avec H. neapolitanus au lieu de A. thiooxidans comme couramment utilisé. / Biodeterioration of mortars was investigated in a specific test implementing Halothiobacillus neapolitanus as neutrophilic sulfur-oxidizing bacteria (SOB) and Acidithiobacillus thiooxidans as acidophilic SOB. This test has allowed achieving into laboratory a bacterial succession as observed in the sewer pipes. The originality of this test results from the multidisciplinary approach that considers the impact of the mortar on the BSO, the chemical and microstructure evolution of the mortar. The intensity of the attack was defined by an attack index (AI) which takes into account the sulfuric acid production of SOB, the chemical elements leaching by mortar and it physical evolution. Whatever the BSO considered, mortar made from calcium aluminate cement (CAC) has a better resistance than the Portland cement mortar (OPC), therefore a smaller AI. The best performance of the CAC mortar, more pronounced with H. neapolitanus, could not be connected to the higher release of aluminum in solution. By cons, it has been shown that in the presence of CAC mortar, H. neapolitanus decreases faster the pH of the medium to 3 and accumulates tetrathionate and sulfur in solution. This accumulation induces less acid biogeneration, from where the slightest mortar attacks. Thus, the performance of the CAC mortar is mainly due to its resistance to biodeterioration during neutrophilic stage when the attack is weak. To estimate the potential performance of mortar formulations, it seems preferable to experiment with H. neapolitanus instead of A. thiooxidans as commonly used.

La production de nouvelles générations de béton avec des propriétés physiques, structurales et techniques améliorées est très importante, mais elle n'est pas possible sans utiliser divers types d'additifs. Les nanotubes de carbone sont des matériaux prometteurs qui possèdent des propriétés spécifiques permettant leurs utilisations pour une grande variété de matériaux composites, y compris le béton. Certaines études expérimentales ont révélé que les nanotubes de carbone peuvent améliorer les propriétés mécaniques du béton avec une petite quantité d'additifs, en fournissant une structure moins défectueuse de la matrice de ciment. Cependant, les résultats sont encore insuffisants et nécessitent d'être élucidés sur les processus se produisant à l'échelle nanométrique dans la structure en béton modifiée par les nanotubes de carbone. Ainsi, cette thèse, a pour objectif principal l'étude de l'amélioration des propriétés mécaniques du béton modifié par les nanotubes de carbone. Afin de modéliser la structure atomique du gel de la Silicate de Calcium Hydratée, nous avons choisi la tobermorite 11Å avec deux rapports différents de Ca/Si correspondants à 0,83 et 1. Divers types de nanotubes incorporés sont testés pour étudier les propriétés mécaniques du nouveau composite résultant. En outre, l'effet de la concentration de nanotubes de carbone dans le ciment est également détaillé. Enfin, nous étudions l'effet de la pression uniaxial sur la structure du béton incluant des nanotubes de carbone. Nos travaux montrent qu'il possible d'améliorer les caractéristiques mécaniques du béton en insérant des nanomatériaux en général, et des nanotubes de carbone en particulier. / The production of new generations of concrete with improved physical, structural and technical properties is very important, but it is not possible without the use of various types of additives. Carbon nanotubes are promising materials that possess specific properties allowing their uses for a wide variety of composite materials, including concrete. Some experimental studies have revealed that carbon nanotubes can improve the mechanical properties of concrete with a small amount of additives, providing a less defective structure of the cement matrix. However, the results are still insufficient and need to be elucidated on the processes occurring at the nano-scale in the concrete structure modified by carbon nanotubes. Thus, this thesis has as main objective the study of the improvement of the mechanical properties of the concrete modified by the carbon nanotubes. In order to model the atomic structure of the Calcium Silicate Hydrates gel, tobermorite 11Å was selected with two different Ca/Si ratios corresponding to 0.83 and 1. Various types of nanotubes incorporated into the tobermorite 11Å structure were tested to study mechanical properties of the resulting new composite. In addition, the effect of the concentration of carbon nanotubes in the cement was also detailed. Finally, we studied the effect of uniaxial pressure on the concrete structure including carbon nanotubes. The work concludes that it is possible to improve the mechanical characteristics of concrete by inserting nano-materials in general, and carbon nanotubes in particular.

L'agglomération des fines entraîne une augmentation importante de la demande en eau des mélanges cimentaires et constitue un frein à la valorisation des sous-produits contenant des proportions élevées de fines. Une modélisation discrète de la microstructure des agglomérats de fines particules est développée. Le modèle intègre les forces de contact avec prise en compte du frottement et du roulement, les forces physico-chimiques et les forces hydrodynamiques calculées avec l'approximation de drainage libre. Le processus d'agglomération, de fragmentation et de restructuration sous cisaillement d'agglomérats fractals de fines particules minérales est étudié en vue de quantifier l'eau immobilisée dans les flocs. Un agglomérat initial isolé et lâche est soumis à un taux de cisaillement constant. Lorsque les forces hydrodynamiques sont prépondérantes par rapport aux forces de cohésion, l'agglomérat mère se fragmente en agglomérats secondaires jusqu'à atteindre un état stationnaire, où le nombre, la taille et la structure des flocs peuvent être considérés comme constants. L'influence du gradient de vitesse, du contexte physico-chimique, de la taille et de la polydispersité des particules sur les caractéristiques microstructurales des flocs à l'équilibre est étudiée. Il est montré que le comportement d'une suspension diluée monodisperse peut être décrit par un unique nombre adimensionnel faisant intervenir la force de cohésion maximale, la taille des particules et le gradient de vitesse. / The agglomeration of fines leads to a significant increase in water demand of cement mixtures and hinders the valorization of by-products containing high fines proportions. A discrete modeling of the microstructure of fine particles agglomerates is developed. The model takes into account contact forces, physico-chemical, and hydrodynamic forces computed with the free draining approximation. The agglomeration, fragmentation and restructuring process of fractal agglomerates of fine mineral particles under shear is studied to quantify the entrapped water in the flocs. A loose initial agglomerate isolated is submitted to a constant shear rate. When the hydrodynamic forces predominate over the adhesive forces, the parent agglomerate is broken up into secondary agglomerates until reaching a steady state, where the number, size and structure of flocs can be considered constant. The influence of the velocity gradient, the physico-chemical context, particles size and their polydispersity on the microstructural characteristics of flocs at steady state is studied. It is shown that the behavior of a monodisperse dilute suspensions can be described by a dimensionless single number involving maximum cohesion force, particle size and velocity gradient.