Dans un premier tome, l'auteur étudie les impacts géologiques, hydrogéologiques et techniques de l'arrêt de l'exhaure minière dans les dernières concessions exploitées dans le bassin houiller de la Loire. Cette étude permet de définir une stratégie de surveillance de la remonté du niveau d'eau et de déterminer le taux d'agressivité des eaux d'émergences vis-à-vis des bétons. Plusieurs solutions techniques sont aussi envisagées en cas d'apparition d'émergences dans l'ensemble des concessions. Le deuxième tome de cet ouvrage est consacré à la modélisation assistée par ordinateur du milieu. L'auteur a mis au point un logiciel utilisant la méthode des différences finies, pour une modélisation en coupe du milieu qui permet de simuler la remontée du niveau de l'eau. L'outil mis au point peut être transposé et adapté à tout site du même type.

La carbonatation atmosphérique est un des facteurs parmi les plus importants de la durabilité du béton armé. Elle repose sur l'action du CO2 de l'atmosphère qui diffuse à travers le béton et se dissout en acide au contact de la solution interstitielle. Cette acidification du milieu induit une dissolution de la portlandite qui constitue la réserve de basicité du béton. La baisse du pH, d'une valeur de l'ordre de 13 à une valeur inférieure à 9, peut conduire à la corrosion des aciers du béton armé qui ne sont passivés et protégés qu'en milieu fortement basique. L'objectif de la thèse est de construire un modèle physico-chimique de carbonatation des matériaux cimentaires permettant de prédire la chute du pH de la solution interstitielle, variable pertinente pour appréhender la corrosion des armatures. Une riche campagne d'analyses thermogravimétriques, de gammadensimétries et de porosimétries par intrusion de mercure, réalisées sur 3 bétons différents et plusieurs pâtes de ciment à base de CEM I, permet de comprendre les mécanismes physico-chimiques, de déterminer les conséquences de la carbonatation sur la microstructure et l'état hydrique des matériaux, de calibrer et enfin de valider le modèle proposé à partir d'essais de carbonatation accélérée.

Le ciment est la principale source des impacts sur l'environnement de l'utilisation du matériau béton. Afin d'optimiser ce dernier d'un point de vue environnemental, il est nécessaire de réduire son dosage en ciment. Cela peut être entrepris en remplaçant une partie du ciment par des additions minérales lors de sa fabrication.Ces travaux de thèse visent à étudier les phénomènes physico-chimiques ayant lieu lors du processus de carbonatation de bétons à forts taux de remplacement du ciment par des additions minérales ainsi que leur résistance à ce type d'attaque.Une campagne expérimentale a été menée sur des bétons de référence préparés à base de ciments courants et sur des Écobétons préparés en substituant une partie du ciment par des cendres volantes ou du laitier de haut-fourneau. Les différentes études menées portent sur la durabilité des Écobétons vis-à-vis de la carbonatation, sur l'équivalence de performances des Écobétons avec celles des bétons de référence, et sur les paramètres de composition et de microstructure contrôlant la cinétique de carbonatation. La carbonatation a été étudiée en conditions accélérées et naturelles. Les résultats montrent que les Écobétons à forts taux de substitution du ciment par des cendres (50 %) ou du laitier (75 %) pourraient remplacer, dans certains cas, les bétons conformes à la norme en vigueur.En complément à l'étude expérimentale, des simulations numériques du couplage hydratation/séchage ont été menées en vue de déterminer l'effet du séchage sur les propriétés contrôlant la cinétique de carbonatation accélérée des bétons étudiés (la porosité, la quantité de Portlandite et le degré de saturation en eau liquide). Les résultats montrent que la cinétique de séchage augmente avec le taux de substitution du ciment par des additions. Ils remettent aussi en cause la pertinence du préconditionnement des échantillons lors de l'essai de carbonatation accélérée mené selon la norme française XP P 18-458 actuellement en vigueur.

Dans une démarche de valorisation des déchets, les granulats recyclés sont introduits dans la formulation des bétons pour donner naissance à de nouveaux bétons recyclés qui représentent l’objet du projet national RECYBETON et du projet ANR ECOREB. Cette thèse se concentre sur l’étude du béton frais et en particulier la maîtrise du retrait plastique et l’effet du degré de saturation initial des gravillons recyclés sur le comportement des bétons recyclés. Deux familles de bétons avec des rapports eau/ciment respectifs de 0,6 et 0,45 ont été testés en conditions endogènes ainsi qu’en dessiccation (Vvent = 8 m/s). Chaque famille de bétons est constituée d’un béton naturel de référence et de deux bétons recyclés différenciés pas le degré initial de saturation des gravillons recyclés (50 et 120 % de l’absorption nominale). Les résultats expérimentaux soulignent la capacité des gravillons recyclés initialement partiellement saturés à capter rapidement l’eau contenue dans la pâte de ciment, modifiant ainsi le rapport E/C, les propriétés rhéologiques du béton frais et les résistances mécaniques du béton durci. Après saturation en eau, si les conditions de séchage conduisent à un manque d’eau dans le béton, les gravillons recyclés peuvent fournir de l’eau à la pâte. Ils constituent donc un potentiel de cure interne. Le retrait plastique sous vent est explicitement lié au ressuage, au développement de la pression capillaire et à la fissuration. Le temps d’initiation de la fissuration dépend de la quantité d’eau totale dans le béton et de sa capacité à ressuer tandis que l’ouverture de fissure varie avec la valeur de retrait plastique mesurée. Dans cette étude, le développement de la pression capillaire est la cause de la fissuration qui apparaît dès l’entrée d’air dans le matériau poreux. Les différences de comportements les plus importantes sont observées entre bétons ayant une quantité d’eau totale différente plutôt qu’entre bétons naturel et recyclé. La compilation des résultats expérimentaux a permis de mettre sur pied des modélisations qui illustrent les comportements observés. Les pores concernés par l’entrée d’air dans les bétons recyclés et naturels au moment de la fissuration sont les plus gros pores de la pâte. Enfin, un couplage hygrothermique séchage-température du béton peut influer sur le démarrage de l’hydratation. / In the context of sustainable development, the reuse of construction and demolition waste is necessary to conserve nonrenewable natural aggregate resources, so recycled aggregates are introduced in concrete mix design. This is the aim of the national projet RECYBETON and the research project ECOREB. This study deals with the fresh concrete and more specifically with shrinkage control and the effects of the initial saturation degrees of recycled coarse aggregates on concrete behavior.Two concrete families, with two different water/cement ratios 0,60 and 0,45, are tested under endogenous and drying (wind speed equal to 8 m/s) conditions. Each concrete family contains a reference natural concrete and two recycled concretes. The initial saturation degree is the difference between them (recycled coarse aggregates saturated or semi saturated).Experimental results underline the capacity of non-saturated aggregates to quickly absorb water from cement paste, modifying the W/C ratio, rheological properties of the fresh concrete and the mechanical strength (at 28 days) of recycled concretes. After saturation in water, recycled aggregates can release water into the cement paste if the undergone drying conditions lead to a lack of water in the cement matrix. The recycled coarse aggregates can be seen as an internal curing potential.Experimental plastic shrinkage studies carried out under drying conditions highlight a link between bleeding, capillary pressure, plastic shrinkage and cracking. It should be pointed out that the initial cracking is dependent on the total quantity of water in the concrete and on its bleeding capacity. The opening cracks vary with the plastic shrinkage values measured during the test. The analysis of the results emphasize that the capillary pressure is the determining parameter and that the air entry value matches the cracks. The major behavior differences are found between concretes with different volumes of water rather than between natural and recycled concretes.Finally, the analysis of all the experimental results have allowed concrete modelling and understanding why concretes do not behave in the same way. When it cracks, the air come in the biggest pores of the concrete paste. Moreover, a hygrothermal coupling exists between the drying and the temperature in concrete. It can affect hydration start up.

La fabrication additive (Impression 3D) consiste à fabriquer des objets couche par couche en utilisant un modèle 3D, un matériau approprié et une machine dédiée. Pour la construction, c’est un nouveau mode constructif qui se profile. Depuis 2010, la fabrication additive a fait un saut technique et médiatique dans ce secteur. Les projets d’impression 3D se sont multipliés et diversifiés avec les premières maisons construites entièrement au moyen de cette technologie (Winsun, D-Shape, Contour Crafting, Apis Cor…etc). Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une thèse CIFRE démarrée en 2015 entre le laboratoire de génie civil de l’Ecole Centrale de Lille et l’entreprise Bouygues Construction. L’objectif de ce travail est d’étudier le potentiel de la fabrication additive pour la construction et plus précisément de proposer une formulation à matrice cimentaire qui sera mise en œuvre par impression 3D.La thèse est organisée en trois grandes parties.La première partie est consacrée à la définition de l’impression 3D et des matériaux cimentaires pour définir leurs interactions. La deuxième partie est dédiée à la formulation d’un matériau cimentaire imprimable. L’imprimabilité a été définie par trois indicateurs : l’extrudabilité, la buildabilté et l’adhérence. La troisième partie est destinée à la validation de la formulation proposée. Ce travail peut être considéré comme une première approche pour définir un protocole d’évaluation de l’imprimabilité des matériaux cimentaires à l’échelle du laboratoire ainsi qu’une première étape pour la conception d’une imprimante 3D destinée et adaptée à la construction. / Additive Manufacturing (3D printing) consists in building an object layer by layer following a 3D model. For this purpose an appropriate material, machine and model are needed. From Construction industry point of view, 3D printing is considered as a new building method. Since 2010, the use of 3D printing for construction has known a large evolution. More and more real construction projects are using this new technology. Some of these examples are Winsun in China, D-Shape in Italy, Contour Crafting in California or Apis Cor in Russia…etc.The work presented in this manuscript was conducted through an industrial PhD thesis (CIFRE) which was launched between “Ecole Centrale de Lille” and “Bouygues Construction” in 2015. The objective of this work was to study the potential of large scale 3D printing integration in the construction process and more precisely the development of a printable cement based mix design.The work is organized in three main parts.The first part was dedicated to 3D printing and cement based material as general concepts. Then their interactions were analyzed. The second part was devoted to the printable mix design. The printability was defined using three indicators: Extrudability, Buildability and layers adhesion. The third part was dedicated to check the printability of the proposed mix design. This work may be considered as a first approach to define a laboratory scale methodology for cement based materials printability testing. It is also a step to contribute to the development of construction 3D printers.

Dans le cadre du stockage des déchets radioactifs en couches géologiques profondes (argilite du Callovo-Oxfordien), des bétons à faible alcalinité et à faible chaleur d'hydratation référencés "bas pH " ont été élaborés. L'utilisation de ces types de béton permet de limiter la dégradation des propriétés confinantes du matériau argileux type bentonite. Deux bétons bas pH à base de liants ternaires ont étudiés : un composé de ciment, fumée de silice et cendres volantes (TCV) et l'autre composé de ciment, fumée de silice et laitier moulu de haut fourneau (TL). L'objectif de l'étude est d'analyser le comportement de ces matériaux pour s'assurer : d'une mise en œuvre correcte à l'échelle industrielle, d'une bonne tenue chimique et mécanique dans le temps et d'un confinement performant. Le programme expérimental comprend la caractérisation physico-chimique et mécanique de ces matériaux à forte teneur en additions et est couplé à de la modélisation dans le but, in fine, de disposer d'outils permettant de prédire leur comportement au sein de l'ouvrage. Les résultats montrent qu'un cobroyage des constituants du liant permet d'améliorer la réactivité du liant et de s'assurer d'une bonne robustesse des formules de béton. La condition essentielle de l'obtention d'un pH de leur solution interstitielle de 11 est assurée dès 28 jours. Les bétons peuvent être considérés à faible chaleur d'hydratation du fait des échauffements rencontrés à court terme. A long terme, de hautes performances mécaniques, de faibles coefficients de perméabilité et de diffusion sont obtenus sur ces matériaux. Les modélisations de l'hydratation, de l'évolution de propriétés mécaniques, de l'endommagement, des déformations différées et des transferts hydriques ont été abordées. Le modèle d'hydratation utilisé a été adapté aux liants ternaires en prenant en compte les phénomènes de nucléation des additions sur l'hydratation du ciment. Pour les autres modèles, l'acquisition des mesures expérimentales a permis de fournir les données d'entrée pour leur utilisation et de vérifier leur validité sur des liants fortement dilués. Tous ces travaux permettent au final d'envisager sereinement la modélisation et la prédiction du comportement des structures réalisées en béton bas pH. / In the context of the radioactive wastes disposal in deep geological repository of clay, low-alkalinity and low heat of hydration concretes referenced "low pH " were designed. The degradation of the properties of the clay can be limited by using these types of concrete. Two types of low pH binder were chosen for this research: the first one is comprised of cement, silica fume and fly ash (TCV) and the other one is comprised of cement, silica fume and slag (TL). The objective of this research is to comprehend the behavior of these concrete in order to ensure the well-placing of the fresh concrete at an industrial scale and good mechanical performances, chemical stability and confining properties. The experimental program focuses on a physico-chemical and mechanical characterization of these recent materials with high pozzolanic addition content. The experimental data are then modeled for the purpose of having a tool that, in the end, is able to predict the behavior of the low pH concretes within the structure. The results show that grinding altogether the three constituents improves the reactivity of the binder and allows a good reproducibility of the low pH design. The most important criterion which is a pH of the interstitial solution below 11 is met at 28 days. The heat measurements at early age show that the low pH concretes are low heat of hydration concretes as well. In the long run, high mechanical performances, low permeabilities and diffusivities were obtained on these materials. The modeling of the hydration, evolution of mechanical properties, damage, creep and hydric transfers is also covered in this thesis. The model of hydration was adjusted to match the hydration of ternary binders by taking into account the effects of the additions such as the heterogeneous nucleation, on the hydration of the cement. As for the other models, the experimental results were used as data input to validate the models on binders with high replacement rates. Ultimately, this work allows us to contemplate serenely the modeling and the prediction of the behavior of structure made of low pH concretes.

L’estimation des déformations différées, en particulier dans le cas des Béton à Hautes Performances (BHP) destinés aux ouvrages d’art, est primordiale pour prédire les flèches, les redistributions des contraintes dans les structures hyperstatiques et les pertes de précontrainte dans des éléments en béton précontraint. L’expérience montre néanmoins une dispersion certaine des valeurs de déformations instantanées et différées mesurées et des écarts non négligeables avec les valeurs calculées selon les règlements de dimensionnement.L’objectif de ce travail de thèse est de s’intéresser à un paramètre non pris en compte dans les règlements qui pourrait être à l’origine des imprécisions de leurs prédictions : le gravillon. Le programme expérimental s’articulera autour d’une étude comparative des comportements mécaniques instantanés et différés sans charge, retrait, et sous charge, fluage, de six BHP de même formulation de base (rapport E/L, volume de pâte), se différenciant principalement par le type de gravillon. A partir de cette base de données complétée par des analyses mécaniques et physico-chimiques sur les granulats, des paramètres influents liés au type de gravillon incorporé ont été détectés. Des comparaisons avec les estimations des modèles actuels tels que l'Eurocode 2 ont également été réalisées et ont montré des différences notables avec les valeurs expérimentales.Des analyses microstructurales ont été menées afin d'identifier l'état de la microstructure et du réseau poreux des matériaux, plus particulièrement à l'interface pâte-granulat (Interfacial Transition Zone ITZ). L'étude de l’ensemble des résultats a permis d’établir des corrélations entre le comportement mécanique et les analyses microstructurales. Une synthèse des données récoltées durant ce travail de recherche montre que le gravillon a une influence non négligeable sur les comportements mécaniques instantané et différé à travers différents paramètres de degré d'influence variable / The prediction of the time-dependent deformations, particularly in the case of high performance concrete (HPC) envisioned for bridges is essential for predicting the deflections, the stress distribution in statically indeterminate structures and the loss of pre-stressing force in elements of pre-stressed concrete. However, the experience shows a certain dispersion of values of instantaneous and delayed deformations measured and some significant differences with the values calculated using the building codes.The objective of the present thesis work focuses on the coarse aggregate parameter which is not taken into account in building codes, which could causes the inaccuracies of their predictions. The experimental program includes a comparative study of the mechanical behaviours (instantaneous and delayed), shrinkage, creep, of six HPC with the same basic formulation (water cement ratio, volume of paste), differing principally in the type of coarse aggregate. From this database and thanks to the mechanical and physicochemical analyses of the aggregates, some influent parameters related to the type of the coarse aggregate were detected. The comparisons with estimations of standard models such as Eurocode 2 were also performed and showed significant differences with the experimental values.Micro-structural analyses were carried out in order to identify the state of the microstructure and the porosity of materials, more particularly at the interface between the cement paste and the coarse aggregate (Interfacial Transition Zones ITZ). The study of the results made it possible to establish correlations between the mechanical behaviour and the micro-structural analyses. A synthesis of the data collected during this research work shows that the coarse aggregate has a considerable influence on the mechanical behaviours (instantaneous and delayed) through various parameters from variable degree of influence

L'objectif de la thèse est d'étudier l'effet de la quantité de fillers vis-à-vis des propriétés rhéologiques, mécaniques et dimensionnelles de bétons tout calcaire. Ces bétons ont été confectionnés avec les mêmes gravillons et le même sable provenant de la même production, afin d'éviter tout artéfact. Le sable a servi à fabriquer cinq sables représentatifs des catégories définies dans la norme EN 12260 des granulats à bétons, par mélange avec sa fraction fine ou sa fraction grenue extraites préalablement par lavage. Les sables fabriqués contiennent environ 0, 6, 12, 18 et 24% de fillers. Les bétons ont été formulés avec le logiciel BetonlabPro2, dont les algorithmes prennent en compte la présence des fillers calcaires. Les bétons ont été réalisés tout d'abord sans superplastifiant, puis en présence d'un superplastifiant dosé à 2/3 de la saturation. Les résultats obtenus ont montré qu'une quantité de fillers de 100 à 130 kg/m3 pour les bétons courants et de 60 à 80 kg/m3 pour les bétons superplastifiés, permet d'obtenir des propriétés optimales, à consistance égale. Mais des quantités supérieures de fillers n'altèrent pas significativement les propriétés des bétons, même si leur compacité diminue. On explique ce comportement non seulement par l'effet liant attribué aux fillers calcaires, mais aussi par une amélioration de la liaison pâte granulats. Les mélanges contenant les plus forts taux de fillers ont encore été étudiés pour formuler des bétons autoplaçants BAP, qui nécessitent une grande quantité de fillers. Les sables de concassage apportent alors la majeure partie de ce constituant, ce qui leur ouvre une voie nouvelle d'utilisation / The objective of this work is to study the effect of the quantity of fillers on the rheological, mechanical and dimensional properties of calcareous concretes. These concretes were made with the same coarse aggregates and same sand coming from the same production, in order to avoid any artifact. Sand was used to manufacture five sands representative of the categories defined in the EN 12260 norm for aggregates for concretes, by mixture with its fine fraction or its grained fraction extracted beforehand by washing. The employed sands contain approximately 0, 6, 12, 18 and 24 % of fillers. The concretes were formulated with the BetonlabPro2 software, whose algorithms take into account the presence of the fillers limestones. Concretes were realized at first without superplastifiant, then in the presence of a superplastifiant measured in 2/3 of saturation. The obtained results showed that a quantity of fillers limestones from 100 to 130 kg/m3 for the concretes and from 60 to 80 kg / m3 for superplasticizred concretes allows obtaining optimal properties, in equal consistency. But, higher quantities of fillers do not deteriorate significantly the properties of the concretes, even if their packing density decreases. One explains this behavior not only by the binding effect allotted to the fillers limestones, but also by an improvement of the paste-aggregates bond. Mixtures containing the strongest rates of fillers were again studied to formulate self compacting concretes SCC, which require a big quantity of fillers. Crushed sands bring then the major part of this constituent, what opens to them a new way of use

L’écaillage de la surface du béton dû aux sels fondants est un phénomène dont les mécanismes sont relativement peu connus. Plusieurs publications et plusieurs recherches se sont penchées sur cette problématique de durabilité du béton. Encore aujourd’hui, aucune théorie prise individuellement ne permet d’expliquer entièrement les causes de ce phénomène et le rôle protecteur d’un bon réseau de bulle d’air sur les bétons qui sont dans des conditions à risque. À prime à bord, les tests sous leur forme actuelle, peuvent sembler moins bien adaptés lorsque l’utilisation de liant ternaire est préférée au liant avec seulement du ciment Portland. Cette recherche s'intéresse donc à valider la sévérité du test d’écaillage BNQ 2621-905 lorsqu’on utilise des liants ternaires. Ce projet se penche également sur l’effet du type et la durée de la cure, du type de superplastifiant utilisé, de la variation du L ̅ et de l’utilisation d’un granulat marginal sur les résistances à l’écaillage des bétons avec liant ternaire. Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet démontrent qu’il est possible d’avoir des résultats qui satisfont la norme d’écaillage BNQ 2621-905 avec des paramètres de formulations d’un béton de type V-S avec presque tous les liants ternaires utilisés. De plus, lorsque le réseau d’air est de bonne qualité (L ̅ < 230 µm) l’utilisation de superplastifiant PCP ou PNS ne semble pas d’avoir d’effet marqué. Le facteur d’espacement, actuellement prescrit dans la norme CSA A23.1, moyen inférieur à 230 µm avec aucune valeur dépassant 260 µm permet d’obtenir de bons résultats à l’écaillage en laboratoire pour le liant C. Finalement, l’utilisation d’un granulat marginal au micro-Deval peut avoir un effet sur la quantité de débris de surface d’un échantillon soumis au gel-dégel.

Les bétons légers, formés des fibres de bois et d’une pâte de ciment Portland, constituent une nouvelle alternative à explorer pour réduire l’impact environnemental des bâtiments. Ils sont utilisés dans la construction durable, comme des éléments secondaires, pour leurs performances thermiques, hydriques et mécaniques. Cependant, la généralisation de leur utilisation dans le bâtiment ne sera rendue possible sans résoudre certains verrous scientifiques liés à leur caractérisation et à leur formulation. Le présent travail s’inscrit dans cet objectif. Il s’agit de contribuer à la caractérisation de ces bétons légers à base des fibres de bois à travers l’expérience et la modélisation. Le module d’Young et la résistance à la rupture ont été mesurés par des tests de flexion et de compression. Un modèle numérique a été également développé pour prédire le comportement des éprouvettes en flexion et la réponse structurale des systèmes de coffrage permanent. La méthodologie numérique permet ainsi d’aider dans le choix des paramètres optimums pour une meilleure conception des panneaux de coffrage destinés à la construction. L’étude du comportement hygrothermique du matériau de construction bois-ciment a été abordée en s’appuyant sur l’expérience et la simulation. Les équations des transferts couplés de chaleur et d’humidité d’un milieu poreux ont été implémentées dans le logiciel Comsol Multiphysics®. En dernier, le modèle développé a été appliqué et validé sur plusieurs réponses dynamiques issues des tests hygrothermiques réalisés en interne. Les mesures des propriétés physico-thermique du matériau composite bois-ciment ont été ensuite intégrées dans le code Abaqus via une routine utilisateur Umatht dans l’objectif de simuler le comportement thermique à hautes températures des panneaux composites bois-ciment. Les profils des températures sont évalués et comparés à ceux des tests de carbonisation réalisés, à l’aide d’un panneau rayonnant, sur des échantillons exposés à un flux de chaleur uniforme de 6kW/m2. Les simulations montrent que le modèle développé est capable de prédire les profils de températures, la zone et la profondeur de la couche du charbon durant l’exposition au feu / Lightweight concretes made from wood fibres and Portland cement paste are a new alternative for the reduction of the environmental impact of buildings. They are used in sustainable constructions as secondary elements for their thermal, hydric and mechanical performance. However, the generalisation of their use is not possible without resolving certain scientific obstacles related to their characterisation. Hence the aim of the present work, which is to contribute towards their characterisation through experimentation and numerical simulation. The Young's modulus and tensile strength were measured through flexural and compression tests. A numerical model has also been developed to predict the behaviour of specimens under bending test as well as their structural response when used as permanent formwork. In particular, the model helps to choose the optimum parameters for a better design of the formwork system. The study of the hygrothermal behaviour of the wood-cement material was carried out using both experimental work and simulation. The equations of coupled heat and moisture transfers for a porous medium have been implemented in the Comsol Multiphysics® software. The developed model has been applied and validated on several dynamic responses resulting from hygro-thermal tests carried out in the laboratory. The obtained physico-thermal properties of the wood-cement composite material were then incorporated into the Abaqus code via a Umatht user subroutine to simulate its high temperature behavior. The temperature profiles are evaluated and compared with the charring tests performed using a radiant panel on samples exposed to a uniform heat flux of 6kW/m². The simulations show that the developed model is able to predict the temperature profiles, the area and the depth of the charred layer during fire exposure