Afin de garantir une mise en place adéquate au chantier ainsi que les propriétés requises à l'état durci, les producteurs de béton prêt à l'emploi doivent être capables de contrôler l'ensemble du cycle de production, du dosage des matériaux à la livraison. Les conditions météorologiques, la variabilité intrinsèque des matières premières, les conditions de livraison, ou encore le facteur humain sont autant de paramètres ayant une incidence directe sur la fluctuation des propriétés du béton à la fois à l'état frais et à l'état durci. Dans le but d'aider davantage les producteurs de béton, un système embarqué pour bétonnière a été développé depuis plus d'une dizaine d'années. Ce système aidant à assurer la qualité du béton frais s'articule essentiellement autour d'une sonde installée directement sur la paroi interne du tambour malaxeur. En plus de mesurer les mouvements du tambour, cette sonde collecte les données d'interaction avec le béton qui, une fois traitées, permettent déjà d'obtenir l'affaissement, le volume, ou encore la température du béton dans la toupie. Dans un premier temps, ce travail s'est intéressé à l'étude de l'homogénéisation du béton dans le tambour dans le cas d'une production en usine à gâchée sèche. Une fois les outils de traitement du signal mis au point, un algorithme permettant de déterminer l'atteinte de l'homogénéité en se basant sur les données mesurées par le système embarqué a été développé. À la suite de l'élaboration d'un protocole expérimental nécessaire à l'évaluation de l'homogénéité du béton produit, l'algorithme a été mis au banc d'essai au travers d'une campagne expérimentale réalisée entre autres à l'aide de la bétonnière dédiée au projet de recherche. Outre une garantie accrue de la qualité du béton, l'association du système embarqué et de l'algorithme développé participe à l'optimisation du procédé de production du béton prêt à l'emploi en usine à gâchée sèche par une rationalisation du temps et de l'énergie consacrée au malaxage. Dans un second temps, une réflexion quant à la manière d'évaluer l'homogénéisation du béton a conduit à la volonté de mettre au point un capteur basé sur une propriété jugée plus fondamentale: la densité du matériau. À la manière des nucléodensimètres, cette thèse tâche de poser les premières pierres du développement d'une nouvelle technologie de capteurs embarqués pour bétonnière utilisant la radioactivité pour la mesure de la densité. En plus de valider la technologie sur du béton frais, les travaux expérimentaux en laboratoire ont permis de déterminer les éléments techniques et l'arrangement nécessaires à l'obtention d'une précision de mesure suffisante. Outre la détermination de l'homogénéité, la mesure de la densité se révèle un outil de contrôle qualité indéniable grâce entre autres à la détection d'inhomogénéités ou encore à la mesure de la teneur en air. Finalement, face à la multiplication des données recueillies par le système embarqué, la dernière partie de cette thèse explore l'intérêt de l'utilisation des méthodes d'apprentissage automatique au travers d'une démonstration de faisabilité se concentrant sur la prédiction de l'évolution de l'affaissement au cours de la livraison. Ce travail essaie de faire ressortir les capacités de ces méthodes d'analyses récemment popularisées, mais aussi les pièges qui y sont associés. / To ensure proper concrete placement on site and targeted properties in the hardened state, ready-mixed concrete producers must be able to control the entire production cycle, from material batching to delivery. Weather conditions, intrinsic variability of raw materials, delivery conditions, or human factor are all parameters having a direct impact on the fluctuation of both fresh and hardened concrete properties, resulting in additional difficulties for producers. In order to further assist concrete producers, an on-board system for concrete truck mixers has been developed over the last ten years. This system, which helps ensure concrete quality, is essentially built around a probe installed directly on the internal wall of the drum. In addition to measuring the drum movements, this probe collects data from its interaction with concrete. This data, once processed, already offers the slump, the volume or the concrete temperature in the drum. At first, this work concentrates on the study of concrete homogenization during a dry-batch production. Once the signal processing tools were adapted, an algorithm has been developed to determine the homogeneity completion based on the data measured by the on-board system. Following the elaboration of an experimental protocol to evaluate the produced concrete homogeneity, the algorithm was put to the test through an experimental campaign using the concrete truck mixer dedicated to the research project. In addition to an increased guarantee of concrete quality, the combination of the on-board system and the developed algorithm contributes to the optimization of the ready-mixed concrete production process by a rationalization of time and energy devoted to mixing in dry-batch plants. Later, a reflection concerning the way to assess concrete homogenization led to the desire to develop a sensor based on a property considered more fundamental: the density of the material. Like nuclear gauges, this thesis laid the foundations for the development of a new on-board sensor technology for concrete truck mixers using radioactivity to measure in-drum density. In addition to validating the technology on fresh concrete, the experimental work in the laboratory helped to select the technical elements needed and the necessary arrangement to obtain sufficient measurement precision. Besides the homogeneity evaluation, density measurement proves to be an undeniable quality control tool thanks to, among other things, the detection of inhomogeneities or the measurement of concrete air content. Finally, faced with the ever-increasing amount of data collected by the system, the last part of this thesis explores the interest of using machine learning methods. The proof of concept presented focuses on predicting the concrete slump evolution during transportation from the plant to the construction site. This work highlights the capabilities of these recently popularized methods, but also the pitfalls associated with such tools.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Au vu de l'urgence climatique actuelle et des différents rapports scientifiques au sujet du dérèglement climatique, il est primordial et même vital de réduire drastiquement la pollution générée par l'Homme. Le dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat) (2022) indique qu'il faut effectivement réduire de moitié les émissions d'ici 2030 et insiste fortement sur la nécessité d'agir immédiatement afin de préserver la planète. Dans ce sens, l'industrie de la production de béton est responsable de 4 à 8% des rejets totaux humains de dioxyde de carbone et doit donc urgemment évoluer afin de réduire son impact environnemental. L'objectif principal de cette étude est de participer à cette transition industrielle en développant un modèle numérique fiable et exploitable afin d'optimiser la production, diminuer le temps de malaxage et réduire le gaspillage du béton à l'aide des outils technologiques de contrôle qualité déjà mis en place. En effet, développer une simulation numérique permettant de mieux comprendre le comportement et les profils d'écoulement du béton frais à l'intérieur d'une toupie de malaxage est extrêmement prometteur puisqu'elle permet alors d'encore mieux optimiser les temps et les coûts de malaxage. Afin d'espérer exploiter un tel outil numérique complexe, la mise en place de modèles élémentaires d'écoulement du béton frais est essentielle afin de valider, caractériser et calibrer les simulations numériques. Dans ce mémoire, le développement de trois modèles simples d'écoulement est traité et les résultats obtenus ont permis de valider le comportement numérique de l'écoulement du béton frais. Chacun de ces modèles présente des forces et faiblesses et participe à la création d'un environnement de travail numérique qui permet de beaucoup mieux appréhender la rhéologie et le comportement d'écoulement du béton frais. Ce projet de recherche est donc une véritable porte d'entrée vers la modélisation complète de la production du béton frais. / In view of the current climate emergency and the various scientific reports on climate change, it is essential and even vital to drastically reduce man-made pollution. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report (2022) indicates that emissions must be halved by 2030 and strongly emphasizes the need to act immediately to preserve the planet. In this sense, the concrete production industry is responsible for 4-8% of total human carbon dioxide emissions and therefore urgently needs to evolve to reduce its environmental impact. The main objective of this study is to participate in this industrial transition by developing a reliable and exploitable numerical model to optimize the production, reduce mixing time and also reduce concrete waste by using technological quality control tools already available. Indeed, developing a numerical simulation allowing to better understand the behavior and flow profiles of fresh concrete inside a mixing-truck is extremely promising as it allows for further optimization of mixing times and costs. In order to be able to exploit such a complex numerical tool, the implementation of elementary fresh concrete flow models is essential to validate, characterize and calibrate the numerical simulations. In this thesis, the development of three simple flow models is discussed and the results obtained are used to validate the numerical behavior of fresh concrete flow. Each of these models has strengths and weaknesses and contributes to the creation of a numerical working environment that provides a much better understanding of the rheology and flow behavior of fresh concrete. This research project is therefore a real gateway to a full modelling of fresh concrete production.

Afin de garantir une mise en place adéquate au chantier ainsi que les propriétés requises à l'état durci, les producteurs de béton prêt à l'emploi doivent être capables de contrôler l'ensemble du cycle de production, du dosage des matériaux à la livraison. Les conditions météorologiques, la variabilité intrinsèque des matières premières, les conditions de livraison, ou encore le facteur humain sont autant de paramètres ayant une incidence directe sur la fluctuation des propriétés du béton à la fois à l'état frais et à l'état durci. Dans le but d'aider davantage les producteurs de béton, un système embarqué pour bétonnière a été développé depuis plus d'une dizaine d'années. Ce système aidant à assurer la qualité du béton frais s'articule essentiellement autour d'une sonde installée directement sur la paroi interne du tambour malaxeur. En plus de mesurer les mouvements du tambour, cette sonde collecte les données d'interaction avec le béton qui, une fois traitées, permettent déjà d'obtenir l'affaissement, le volume, ou encore la température du béton dans la toupie. Dans un premier temps, ce travail s'est intéressé à l'étude de l'homogénéisation du béton dans le tambour dans le cas d'une production en usine à gâchée sèche. Une fois les outils de traitement du signal mis au point, un algorithme permettant de déterminer l'atteinte de l'homogénéité en se basant sur les données mesurées par le système embarqué a été développé. À la suite de l'élaboration d'un protocole expérimental nécessaire à l'évaluation de l'homogénéité du béton produit, l'algorithme a été mis au banc d'essai au travers d'une campagne expérimentale réalisée entre autres à l'aide de la bétonnière dédiée au projet de recherche. Outre une garantie accrue de la qualité du béton, l'association du système embarqué et de l'algorithme développé participe à l'optimisation du procédé de production du béton prêt à l'emploi en usine à gâchée sèche par une rationalisation du temps et de l'énergie consacrée au malaxage. Dans un second temps, une réflexion quant à la manière d'évaluer l'homogénéisation du béton a conduit à la volonté de mettre au point un capteur basé sur une propriété jugée plus fondamentale: la densité du matériau. À la manière des nucléodensimètres, cette thèse tâche de poser les premières pierres du développement d'une nouvelle technologie de capteurs embarqués pour bétonnière utilisant la radioactivité pour la mesure de la densité. En plus de valider la technologie sur du béton frais, les travaux expérimentaux en laboratoire ont permis de déterminer les éléments techniques et l'arrangement nécessaires à l'obtention d'une précision de mesure suffisante. Outre la détermination de l'homogénéité, la mesure de la densité se révèle un outil de contrôle qualité indéniable grâce entre autres à la détection d'inhomogénéités ou encore à la mesure de la teneur en air. Finalement, face à la multiplication des données recueillies par le système embarqué, la dernière partie de cette thèse explore l'intérêt de l'utilisation des méthodes d'apprentissage automatique au travers d'une démonstration de faisabilité se concentrant sur la prédiction de l'évolution de l'affaissement au cours de la livraison. Ce travail essaie de faire ressortir les capacités de ces méthodes d'analyses récemment popularisées, mais aussi les pièges qui y sont associés. / To ensure proper concrete placement on site and targeted properties in the hardened state, ready-mixed concrete producers must be able to control the entire production cycle, from material batching to delivery. Weather conditions, intrinsic variability of raw materials, delivery conditions, or human factor are all parameters having a direct impact on the fluctuation of both fresh and hardened concrete properties, resulting in additional difficulties for producers. In order to further assist concrete producers, an on-board system for concrete truck mixers has been developed over the last ten years. This system, which helps ensure concrete quality, is essentially built around a probe installed directly on the internal wall of the drum. In addition to measuring the drum movements, this probe collects data from its interaction with concrete. This data, once processed, already offers the slump, the volume or the concrete temperature in the drum. At first, this work concentrates on the study of concrete homogenization during a dry-batch production. Once the signal processing tools were adapted, an algorithm has been developed to determine the homogeneity completion based on the data measured by the on-board system. Following the elaboration of an experimental protocol to evaluate the produced concrete homogeneity, the algorithm was put to the test through an experimental campaign using the concrete truck mixer dedicated to the research project. In addition to an increased guarantee of concrete quality, the combination of the on-board system and the developed algorithm contributes to the optimization of the ready-mixed concrete production process by a rationalization of time and energy devoted to mixing in dry-batch plants. Later, a reflection concerning the way to assess concrete homogenization led to the desire to develop a sensor based on a property considered more fundamental: the density of the material. Like nuclear gauges, this thesis laid the foundations for the development of a new on-board sensor technology for concrete truck mixers using radioactivity to measure in-drum density. In addition to validating the technology on fresh concrete, the experimental work in the laboratory helped to select the technical elements needed and the necessary arrangement to obtain sufficient measurement precision. Besides the homogeneity evaluation, density measurement proves to be an undeniable quality control tool thanks to, among other things, the detection of inhomogeneities or the measurement of concrete air content. Finally, faced with the ever-increasing amount of data collected by the system, the last part of this thesis explores the interest of using machine learning methods. The proof of concept presented focuses on predicting the concrete slump evolution during transportation from the plant to the construction site. This work highlights the capabilities of these recently popularized methods, but also the pitfalls associated with such tools.

L’objet de ce projet est l’étude de la rhéologie des bétons frais à base de ciment d’aluminate de calcium, soit: le LBC et le Ciment Fondu. L’utilisation de ce type de liant hydraulique présente un intérêt substantiel dans le domaine des bétons, tant pour les ouvrages structuraux que pour les réparations en béton. La motivation derrière cette recherche est de mieux comprendre le comportement rhéologique de ce type de béton et ainsi faciliter et élargir leur utilisation dans le domaine du génie civil. Le projet de recherche s’attarde sur différents paramètres spécifiques tels que l’influence du type d’adjuvant, de leurs dosages et de leurs combinaisons, ainsi que l’effet du type de malaxage employé et de sa durée. Pour répondre aux objectifs, la recherche est divisée en deux phases. Une première phase, où les adjuvants sont évalués individuellement, a permis de lancer la seconde, plus complexe, où des conditions de malaxage réalistes, camion toupie et bétonnière mobile, et une combinaison d'adjuvants complète sont mises à l’épreuve. Des résultats forts intéressants ont été obtenus dans cette deuxième phase. L’utilisation d’un superplastifiant en combinaison avec un accélérateur de prise simule l’usage d’une bétonnière mobile. Il est possible d'obtenir, de cette combinaison, de compenser le retard de prise occasionné par le superplastifiant en dosant convenablement l’accélérateur de prise, tout en conservant des propriétés rhéologiques adéquates pour une bonne mise en place. En plus, l’utilisation d’un superplastifiant en combinaison à un retardateur de prise, simulant les conditions de transport dans une bétonnière conventionnelle, a permis de retarder et contrôler le début de la prise. Au point de vue de l’évolution rhéologique, cette combinaison est très efficace lors d’un transport prolongé. Il est possible de retarder la prise en conservant des propriétés rhéologiques adéquates. Pour finir, l’utilisation d’un activateur de prise dans un mélange ayant subi un malaxage prolongé, adjuvanté de superplastifiant et de retardateur de prise, s’est révélée très efficace pour obtenir une durée pratique d’utilisation visée en chantier. / The purpose of this project is to study the rheology of fresh concrete made from calcium aluminates cement, namely: the LBC and Ciment Fondu. Using this type of hydraulic binder has a substantial interest in the field of concrete, both for structural works and concrete repair. The motivation behind this research is to better understand the rheological behaviour of this type of concrete and thus facilitate and expand their use in the field of civil engineering. The research project focuses on specific parameters such as the influence of type of admixture, their dosages and combinations as well, type of the mixing and it duration. In order to meet the objectives, the research is divided in two phases. A first phase, where the admixtures are individually evaluated, was necessary to launch the second and more complex phase, where realistic mixing conditions have been used. Very interesting results were obtained in this second phase. First, superplasticizers in combination with set accelerators were used to simulate a mobile concrete mixer. It is possible with this combination to compensate the set delay caused by the superplasticizer by using an appropriate dosage of set accelerator, while maintaining adequate rheological properties. Secondly, the use of a superplasticizer with a set retarder, simulating the transportation in a ready-mix truck showed promising results in delaying and controlling the setting time. In terms of rheological evolution, this combination is very effective during a prolonged transport; It is possible to delay the setting time while maintaining adequate rheological properties. The use of an activator added to a mixture which has undergone prolonged mixing and including superplasticizer and set retarder was found very effective in obtaining a practical opentime, or “pot life” for a construction site.

Le béton projeté est une technologie en pleine expansion de plus en plus sollicitée pour des réparations de structures en béton. Au cours de la dernière décennie, des efforts considérables furent déployés pour accroître le niveau des connaissances fondamentales sur les propriétés du béton projeté, particulièrement pour le procédé de projection du béton par voie sèche. Malheureusement, très peu d'efforts de recherche furent axés sur le développement des connaissances de base reliées au procédé de projection par voie humide. Le développement et l'amélioration de la projection de béton par voie humide est n é c e s s a i r e dans un contexte où la demande pour ce matériau de réparation ne cesse de croître. De plus, puisque l'industrie se tourne vers des pompes ayant des boyaux de faibles diamètres (inférieurs à 38-mm), une réflexion approfondie sur cette méthode de mise en place basée sur l'analyse de données expérimentales fiables s'impose. L'utilisation adéquate du béton projeté par voie humide pour des applications de réhabilitation et de réparation nécessite une bonne connaissance de l'ensemble du procédé. L'objectif de ce projet de recherche est d'approfondir la compréhension des mécanismes impliqués dans le malaxage, le pompage et la mise en place du béton projeté par voie humide. D'après les besoins urgents manifestés par l'industrie, ce projet se concentre principalement sur les objectifs suivants : Appliquer une démarche scientifique à la conception des mélanges de béton afin d'améliorer la robustesse du béton projeté par voie humide pour maintenir les propriétés du béton frais dans le temps. Cette approche vise l'adaptation du procédé aux impondérables de la pratique tels que les délais d'attente, les températures élevées et le pompage avec des boyaux de faible diamètre. Étudier la cinétique de mise en place et les propriétés fondamentales du béton frais projeté par voie humide dans le but de développer des stratégies pour augmenter l'épaisseur de béton frais en place tout en minimisant le rebond sans avoir recours à un agent accélérateurs de prise. Améliorer la compréhension du rôle de l'air sur les propriétés de pompage et de l'effet du pompage sur les caractéristiques du réseau de bulles d'air résiduel afin d'introduire ces paramètres dans des modèles de prédiction de pompage existants. L'originalité de ce projet repose sur la résolution de problèmes techniques complexes par des approches scientifiques rigoureuses et fiables. C'est par la compréhension fondamentale du comportement des phases fluides et solides du béton lors de son transport par pompage et de sa mise en place que l'amélioration et l'optimisation du procédé de projection par voie humide sera possible.