Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP. / The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.

Le retrait de séchage du béton est une des problématiques importantes dans le domaine des réparations de béton, puisque souvent à l’origine d’une diminution de la durabilité de l’intervention. Un béton à retrait compensé (BRC) est sujet aux mêmes processus de retrait de séchage que les bétons de ciment Portland. La différence se fait lors de la période de mûrissement. Lors des premiers jours de l’hydratation d’un BRC, un agent expansif incorporé au ciment cause l’expansion de la pâte avec une amplitude permettant de compenser le retrait de dessiccation du béton. Ce projet de maitrise présente l’étude de la robustesse de plusieurs formulations de BRC, dans le but d’isoler certains paramètres qui influencent le comportement des BRC. Deux types d’agent expansif ont été étudiés, l’un à base de sulfoaluminate de calcium (type K), l’autre à base d’oxyde de calcium (type G). L’analyse de la robustesse se divise en deux parties : la première concerne l’influence des variations de formulations (rapport E/L, types et dosages d’agent expansif, sources du ciment portland utilisées avec l’agent expansif), la deuxième est vouée à l’influence des conditions d’exposition, à savoir la température de cure (5 °C, 23 °C et 38 °C) et la disponibilité en eau lors du mûrissement (soumis à 50 % d’humidité relative, et immergé dans l’eau saturée de chaux). Ensuite, l’adhérence de plusieurs formulations de BRC à des substrats de béton humide et sec a été étudiée. Finalement, la durabilité de certaines formulations de BRC face aux cycles de gel-dégel, à l’attaque des sels fondants et à la pénétration des ions chlores a été caractérisée. Cette étude montre que lorsque certaines conditions sont réunies, le béton reste dans un état de compression ce permettant de réduire le risque de fissuration. Une faible température de cure ne permet pas le développement optimal de l’expansion, ce qui nuit à la compensation du retrait de séchage. Il en est de même en absence de mûrissement humide. Les résultats de l’adhérence des formulations de BRC à un substrat ont globalement été satisfaisants, cependant deux formulations, mises en place sur un substrat « humide », n’ont pas adhéré au substrat. Les essais de durabilité montrent une résistance acceptable à l’écaillage et aux cycles de gel-dégel des BRC. Toutefois, une perméabilité élevée aux ions chlores a été mesurée sur la plupart des formulations de BRC. / Drying shrinkage is one of the least desirable properties of repair concrete, because in restrained conditions, it may lead to shrinkage cracking and thus adversely affecting durability. Shrinkage compensating concrete (ShCC) is prone to the same drying shrinkage as Portland cement concrete. During the first days of ShCC’s hydration, the expansive agent, added to the cement, induce an expansion what balances approximately the subsequent normal drying shrinkage. This project outlines the study of the robustness of several ShCC mixtures design, in order to delineate some parameters influencing the behavior of ShCC. Two kinds of expansive agent is used, one based on calcium sulfoaluminate (type K) and the other based on calcium oxide (type G). The assessment of the robustness is divided in two parts : the first one aims to evaluate the influence of mixture design parameters (w/b ratio, cement composition, kind and ratio of expansive agent), the second one aspires to study the influence of curing conditions (water availability, temperature) on the expansive behavior. Then, the bond between ShCC repairs and concrete substrates were investigated. Being aware of the influence of the water availability on the expansion, each ShCC mixture design was added on a “dry” and a “wet” substrate. Finally, the freezing and thawing resistance, the scaling resistance, and the ability to resist chloride ion penetration were performed to assess the durability of ShCC mixture design. This study shows that certain ShCC mixture design can reduce the risk of cracking by maintaining the concrete in a compressive state. A low curing temperature prevents the expansion and harms the shrinkage compensation. The absence of curing results to the same observation. The results of bonding strength were generally acceptable. However, in the case of two mixtures design cast on a « wet » substrate, the ShCC layer deboned. The durability tests show a generally good resistance to freezing and thawing cycle and to scaling, but a high permeability to chloride ions.

Ce projet évalue une approche pronostique de la réaction alcalis-silice (RAS), basée sur la réactivité résiduelle du granulat récupéré du béton d'un barrage, afin d'évaluer le potentiel résiduel d'expansion de la RAS. Ainsi, des essais d'expansion accélérés ont été réalisés sur des éprouvettes de mortier préparées avec des granulats fins obtenus par broyage des granulats d'origine en conditions d'immersion dans une solution de NaOH 1M. Les conditions expérimentales ont été optimisées selon 4 calibres granulaires de matériel réactif et 3 dimensions d'éprouvettes de mortier. En parallèle, des carottes de béton du barrage ont été désagrégées par trempage dans une solution de Na₂SO₄ concentrée à 25 % massique, combiné à un cyclage thermique (16 heures à 4°C et 8 heures à 60°C) pour récupérer les granulats. Plus de 90 % du matériel initial a été récupéré après conditionnement. Finalement, des éprouvettes de mortier ont été fabriquées à partir des granulats récupérés et selon les conditions optimisées. La cinétique de la consommation de la silice réactive de ces dernières sera comparée avec celle d'un granulat similaire à celui retrouvé dans le béton du barrage, mais n'ayant jamais été exposé à la RAS. Simultanément, le bilan de la concentration en alcalis disponibles pour la RAS dans le béton du barrage a été étudié. L'extraction de la solution interstitielle sous haute pression du béton du barrage a permis de mesurer des concentrations supérieures au bilan théorique en alcalis d'environ 1,3 kg de Na₂O([indice] eq)/m³ de béton. Afin d'expliquer cet apport d'alcalis au béton du barrage, le potentiel de relâchement d'ions alcalis des granulats a été évalué. Des analyses chimiques, des examens pétrographiques et les méthodes RILEM ACS-AAR-8 et IFSTTAR XP P 18-544 ont permis de déterminer que le potentiel de relâchement d'ions alcalis du gros granulat est négligeable. Le granulat fin a possiblement contribué à relâcher des alcalis dans la pâte de ciment, mais faute de matériel, le potentiel de relâchement de ce dernier n'a pas pu être confirmé. / This project evaluates a prognosis approach of the alkali-silica reaction (ASR), based on the residual reactivity of aggregates recovered from a concrete dam, to evaluate ASR’s residual expansion potential. Thus, accelerated expansion tests in immersion conditions of NaOH 1N solution were carried out on mortar specimens containing fine aggregates obtained by crushing of the original aggregate. The experimental conditions were optimized according to 4 granular classes of reactive material and 3 dimensions of mortar specimens. Meanwhile, concrete cores from the dam were disaggregated by immersion in a solution of Na₂SO₄ [25 % by mass] combined with thermal cycling (16 hours at 4°C and 8 hours at 60°C) to recover the aggregates. More than 90 % of the original material was recovered after conditioning. Mortar samples were made using the aggregates recovered and were exposed to optimized conditions. The kinetics of the reactive silica consumption of the latter will be compared to a similar aggregate, but never exposed to ASR. At the same time, the assessment of the available alkali concentration for ASR in the dam’s concrete was studied. High pressure extraction of the pore solution from the concrete allowed to measure concentrations higher than the theoretical alkali balance of about 1.3 kg of Na₂O([subscript] eq)/m³ of concrete. To explain this contribution of alkalis to the concrete, the alkali ion release potential of the aggregates was evaluated. Chemical analyzes, petrographic examinations and the RILEM ACSAAR- 8 and IFSTTAR XP P 18-544 methods have determined that the potential for alkali ion release from the coarse aggregate is negligible. The fine aggregate possibly contributed to the release of alkalis in the cement paste, but due to lack of material, the release potential of the latter could not be confirmed.

Certains ajouts minéraux, lorsque bien dosés, réduisent les expansions causées par les réactions alcalis-granulats. Cependant, les mécanismes de réaction de ces matériaux ne sont pas bien connus et, pour déterminer leur performance, on doit faire de longs essais. Le but de cette recherche est de déterminer le rôle des ajouts minéraux face aux réactions alcalis-granulats et de mettre au point des essais accélérés d'évaluation de leur performance à cet égard. Pour réaliser cette recherche, deux granulats très réactifs et six ajouts minéraux ont été sélectionnés. Le choix spécifique des matériaux repose sur des différences observées aux points de vue composition chimique et performance connue face aux réactions alcalis-granulats. Deux fumées de silice, trois cendres volantes et un laitier de haut-fourneau ont été étudiés. La performance des ajouts minéraux face aux réactions alcalis-granulats a été déterminée à partir de l’essai du prisme de béton ACNORA 23.2-14A. Les mélanges ciment + ajout qui montrent une expansion inférieure à la limite de 0,047c après deux ans sont considérés comme étant à l'abri des réactions alcalis-granulats. Un critère encore plus conservateur est d'exiger une expansion inférieure ou égale à celle d'un témoin à basse teneur en alcalis. L'efficacité des ajouts minéraux peut aussi être évaluée par l'essai de mortier accéléré et l'essai à l'autoclave utilisant un critère d'expansion de 0,1% après 14 jours et 5 heures de cure, respectivement. Les deux méthodes se sont avérées de bons outils pour déterminer le dosage minimum requis en ajouts minéraux pour réduire les expansions sous une limite acceptable. Cependant, la méthode à l'autoclave semble trop sévère pour les cendres volantes. L'essai de mortier accéléré est préférable pour l'évaluation de ce type d'ajouts. De même, l'essai à l'autoclave s'est avéré meilleur pour déterminer le dosage requis en fumées de silice, l'essai accéléré s'étant montré trop peu sévère pour ce type d'ajout. L'étude des mécanismes de réaction des ajouts minéraux a montré que les ajouts minéraux libèrent presque tous leur alcalis. Cependant, la plupart des ajouts génèrent une concentration en alcalis dans la solution interstitielle plus faible que celle du témoin (sans ajout) même s’ils contiennent plus d'alcalis que le ciment qu'ils remplacent. Ceci démontre que les ajouts sont capables de trapper des alcalis. Bien plus, de nombreux ajouts trappent plus d’alcalis qu'ils peuvent en libérer. Une bonne corrélation a été établie entre la réduction de la concentration en alcalis de la solution interstitielle et la réduction d'expansion due aux réactions alcalis-granulats. Par contre, aucune corrélation n ’a été obtenue entre la réduction des teneurs en portlandite et la réduction d ’expansion. La teneur en portlandite ne semble qu’un indice de l'activité pouzzolanique des ajouts. Les résultats obtenus lors de cette étude montrent que le rôle bénéfique des ajouts minéraux réside dans leur capacité de baisser la concentration en alcalis de la solution interstitielle sous un certain niveau. La teneur en alcalis des ajouts minéraux doit donc être le plus faible possible et le dosage en ajouts suffisant pour permettre qu’une quantité suffisante d'alcalis soit trappée dans les hydrates de réaction. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2015

Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP. / The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.

La compréhension des propriétés mécaniques de la microstructure des bétons verts est l'un des principaux intérêts de recherche dans l'industrie du ciment et du béton. Ce rapport traite de l'étude de pâtes de ciment ordinaire et d'une pâte de ciment avec ajout de laitier en couplant un à un les réponses chimiques et mécaniques mesurées à l'échelle nanoscopique. Les techniques expérimentales utilisées sont la technique de la nanoindentation ainsi que l'analyse chimique quantitative par microscopie électronique à balayage couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS). L'analyse mécanique comprend la mesure d'un coe_cient de relaxation basé sur un approfondissement de la théorie existante de la technique de la nanoindentation. Les résultats comportent une étude déterministe basée sur la chimie, une méthode permettant de déterminer la nature d'une surface indentée à partir des rapports des éléments atomiques mesurés à l'aide du MEB-EDS à cet endroit, et permettant de la lier directement la réponse mecanique mesurée à l'aide de la technique de la nanoindentation. Une étude statistique basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance est aussi réalis ée pour déterminer les réponses mécaniques et chimiques des di_érentes phases présentes. On trouve que la majorité des microvolumes d'interaction des expérimentations mécaniques et chimiques est composée de plusieurs phases. Il a également été possible de déterminer les réponses mécaniques du monosulfoalumite et de l'hydrotalcite combiné à du C_S_H, des produits d'hydratation importants de la pâte de ciment avec ajout de laitier. / One of the main interests of the cement and concrete industries is to better understand the mechanical properties of green concrete systems. This report provides a nano-investigation approach with a one-to-one coupling of the mechanical and chemical responses of ordinary cement pastes and a cement paste with an addition of blast furnace slag. This is achieved by using the technique of nanoindentation and a quantitative investigation of the chemistry by using the scanning electron microscopy coupled with the energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The mechanical analysis includes the measurement of a relaxation coe_cient, an extension of the already known theory of the nanoindentation technique. The results are implemented with a deterministic analysis of the chemistry, a method allowing the determination of the nature of an indented area from the atomic ratios measured by using the SEM-EDS on this spot, and which can be directly linked to the mechanical responses measured by the nanoindentation tests. A statistical analysis based on the maximum likelihood estimation is also performed in order to identify the mechanical responses of the di_erent chemical phases present. It is found that the most of the microvolumes probed by the mechanical and chemical investigation are heterogeneous composites with intermixing. We could also determine the mechanical properties of monosulfoalumite and hydrotalcite combined with C_S_H, important hydration products of cements with slag additions.

Les matériaux cimentaires sont utilisés de plus en plus dans le domaine de la construction civile. Plusieurs recherches expérimentales sont réalisées dans le but de mieux comprendre les mécanismes pilotant le comportement des bétons et d’identifier les facteurs responsables afin d’en assurer à la fois une meilleure durabilité et une bonne résistance. Or, les bétons dits de haute performance sont susceptibles à se fissurer depuis les premières heures suivant l’initiation de la réaction d’hydratation. La durabilité des bétons est ainsi affectée. Ceci constitue un défi d’actualité. C’est dans cette optique que la présente recherche a été initiée. Le terme jeune âge représente les premiers jours, voire les premières heures, suivant l’amorcement de la réaction d’hydratation des grains de ciments. À l’heure actuelle, il n’existe pas de procédure ni de montages expérimentaux « normalisés » permettant d’évaluer le comportement des bétons depuis le jeune âge. Le Centre de recherche sur les infrastructures en béton (CRIB) a développé un dispositif expérimental qui permet de simuler le comportement des bétons sous des conditions de restrictions des déformations. Le montage, appelé montage de retrait restreint à déformations différées (R2D2), a été amélioré dans le cadre de cette étude afin de permettre d’examiner l’influence de la température sur le comportement des bétons au jeune âge. Plusieurs bétons ont été formulés et testés en se basant sur trois types de ciments. Cinq rapports eau/ciment ont été testés et plusieurs profils thermiques ont été appliqués. L’influence du rapport eau/ciment, de la composition minéralogique et de la température sur le comportement ont été investis plus en profondeur. Le détail des résultats de cette étude expérimentale est présenté dans les sections qui suivent. / Cementitious materials are used increasingly in the field of civil construction. Several experimental investigations are conducted to better understand the mechanisms controlling the behaviour of concrete and identify the factors responsible to ensure both durability and strength. But the so-called high performance concretes are likely to crack in the first hours after the initiation of the hydration reaction. The durability of concrete is thus affected. This constitutes a challenge for today. This research has been initiated with this perspective in mind. The term young age represents the first days, even the first few hours following the initiation of the reaction of hydration of cement grains. Currently, there is no procedure or experimental setups standardized to assess the behaviour of concrete from an early age. The Research Center on Concrete Infrastructures (CRIB) has developed an experimental device that simulates the behaviour of concrete under conditions of restricted deformation. The assembly, called the assembly for restrained shrinkage deformations (R2D2) was improved as part of this study to help examine the influence of temperature on the behaviour of concrete at early age. Several concrete were formulated and tested based on three types of cements. Five water /cement ratios were tested and several thermal profiles were applied. The influence of the water /cement ratio, the mineralogical composition of cement and the effect of the temperature on the concrete behaviour have been investigated in more depth.

Les bétons de hautes performances, de consistance ferme à plastique, développent des résistances mécaniques à long terme très élevées. Cependant, ils présentent l'inconvénient d'un remplissage difficile dans des zones fortement ferraillées des piles du viaduc de Millau, dont l'ensemble des armatures constitue un réseau d'obstacles à la mise en place par vibration. Pour garantir un remplissage total des coffrages, le recours aux bétons fluides autoplaçants a été la voie adoptée, avec maintien des performances mécaniques et de la durabilité. Une caractérisation des propriétés rhéologiques (fluidité et capacité de passage entre les armatures) à l'échelle du béton fournit des bases physiques aux phénomènes impliqués dans la transition entre un matériau de consistance ordinaire et un matériau fluide, et apporte une meilleure compréhension des modifications de formulation (fraction volumique solide, rapport Gravillons/Sables) et de leurs conséquences. La stabilité et la thixotropie engendrée par la partie fine où coexistent ciment, fines des sables et divers types de fillers et superplastifiants, jouent aussi un rôle important sur la fluidité et stabilité du béton. Toutefois, des mesures de retrait, sous conditions de séchage, soulignent l'incidence de la fraction volumique granulaire dans le développement de forts retraits menant à une fissuration précoce du béton. Ainsi, le remplacement d'une partie du ciment par des fillers minéraux moins réactifs a été le chemin suivi. Des mesures d'analyses thermiques identifient les raisons microstructurales d'un tel maintien des résistances malgré les modifications de formulation, par rapport à l'évolution de la physico-chimie.

S'inscrivant dans une problématique actuelle du génie civil relative aux phénomènes implicites à la durabilité des structures réparées en béton, cette étude se propose d'analyser le comportement des bétons de réparation en situation de mouvement empêché. Aux fins de l'investigation, les bétons autoplaçants (BAP) ont été ciblés pour le programme expérimental, étant donné qu'ils manifestent un bon comportement face à la fissuration, comme le révèlent les études des dernières années. Ainsi, un protocole expérimental comportant deux volets principaux a été élaboré. Le premier volet consiste à évaluer l'influence des paramètres de composition (ajouts minéraux, chimiques et organiques) sur la tendance à la fissuration des bétons étudiés. Cette étape comprend une campagne d'essais ciblée dont l'objectif est d'établir une corrélation entre les propriétés individuelles du matériau (résistance à la traction, module élastique, retrait, fluage) et son comportement en conditions de mouvement restreint. Le deuxième volet compte, quant à lui, une série d'essais visant à préciser et à comprendre l'impact de la température de mûrissement sur les propriétés individuelles, ainsi que sur le comportement du béton en situation de retrait restreint. La réalisation des deux volets expérimentaux a nécessité la préparation de près de 10000 litres de béton en laboratoire. Exploitant les résultats recueillis dans le cadre du programme expérimental, l'analyse est orientée vers le développement d'ime méthode de calcul pour l'évaluation quantitative de la compatibilité voluinétrique et de la sensibilité à la fissuration des matériaux de réparation en fonction de leurs propriétés individuelles. Le bilan de cette recherche permet, pour les matériaux utilisés dans les conditions établies en laboratoire, d'entrevoir une concordance entre l'approche quantitative théorique avancée et les résultats expérimentaux. Toutefois, l'approche en question nécessite d'être développée davantage afin de prendre en considération d'autres paramètres et ce, en vue de définir les critères de performance des matériaux de réparation en conditions de retrait restreint. Ainsi, l'approche théorique évaluant la performance (en tenues de compatibilité) des bétons en fonction de leurs propriétés individuelles contribuera, dans la pratique, au développement des matériaux de réparation à faible sensibilité à la fissuration.