Les matériaux cimentaires sont largement utilisés dans la conception et la construction des sites de stockage de déchets radioactifs. Une des manières d’améliorer leur performance est d’introduire des adjuvants organiques dans la structure. La présence de matière organique dans l’eau porale peut affecter la mobilité des radionucléides : les molécules organiques forment des complexes solubles et peuvent être en compétition avec les radionucléides au niveau des sites de sorption. Ce travail avait pour but de comprendre les mécanismes de telles interactions au niveau moléculaire. Le système modèle a trois composantes. D’abord, des phases C-S-H ont été choisies en tant que modèles du ciment.Ensuite, le gluconate est sélectionné en tant que modèle d’additif organique pour sonder les mécanismes d’interaction à l’échelle moléculaire. Un système plus complexe impliquant un superplastifiant (PCE) a été testé. La troisième espèce, U(VI), est représentative d’un radionucléide de la série des actinides. Le développement de la description des effets de postproduction des espèces organiques pour les applications de stockage des déchets radioactifs était l’objectif principal de ce travail. L’étude des systèmes binaires fournit des données de référence pour l’investigation de systèmes ternaires C-S-H/matière organique/U(VI) plus complexes. Des cinétiques et des isothermes de sorption/désorption pour les espèces sur les C-S-H sont mesurés. En parallèle, des modèles atomiques ont été développés pour les interfaces d’intérêt. Les aspects structuraux, énergétiques et dynamiques des processus de sorption sur les surfaces de ciment sont modélisés par la technique de la dynamique moléculaire. / Cementitious materials are extensively used in the design and construction of radioactive waste repositories. One of the ways to enhance their performance is to introduce organic admixtures into the cement structure. However, the presence of organics in the pore water may affect the radionuclide mobility: organic molecules can form water-soluble complexes and compete for sorption sites. This work was designed to get detailed understanding of the mechanisms of such interactions on the molecular level. The model system has three components. First, pure C-S-H phases with different Ca/Si ratios were chosen as a cement model. Secondly, gluconate (a simple well-described molecule) is selected as a good starting organic additive model to probe the interaction mechanisms on the molecular scale. A more complex system involving polycarboxylate superplasticizer (PCE) was also tested. The third, U (VI), is a representative of the actinide radionuclide series. The development of description of the effects of organics for radioactive waste disposal applications was the primary objective of this work. The study of binary systems provides reference data for the investigation of more complex ternary (C-S-H/organic/U(VI)). The interactions are studied by means of both experimental and computational molecular modelling techniques. Data on sorption and desorption kinetics and isotherms for additives and for U (VI) on C-S-H are acquired in this work. In parallel, atomistic models are developed for the interfaces of interest. Structural, energetic, and dynamic aspects of the sorption processes on surface of cement are quantitatively modeled by molecular dynamics technique.

Face à la finitude des ressources de la terre et de sa capacité d’absorption de la pollution, le développement d’écobétons pour un futur industrialisé durable représente un défi majeur de la science du béton moderne. En raison de sa nature hétérogène complexe, les propriétés macroscopiques du béton dépendent fortement des constituants de sa microstructure (ex. silicates de calcium hydratés [C–S–H], Portlandite, inclusions anhydres, porosité, agrégats, etc.). De plus, la nécessité d’une exploitation rapide et optimale des matériaux cimentaires émergents dans les applications industrielles demande de nos jours une meilleure compréhension de leurs particularités chimico-mécaniques à l’échelle micrométrique. Cette thèse vise à développer une méthode de pointe de couplage de la nanoindentation et de la spectroscopie quantitative aux rayons X à dispersion d'énergie (NI-QEDS), puis à fournir une caractérisation chimico-mécanique originale des phases microstructurales présentes dans les matrices réelles de ciments mélangés. La combinaison d’analyses NI-QEDS statistiques et déterministes a ainsi permis d’élargir la compréhension des systèmes avec ciment Portland et ajouts cimentaires (ACs) conventionnels ou alternatifs. Plus spécifiquement, l’étude des C–(A)–S–H (C–S–H incluant l’aluminium ou non) dans différents systèmes à base de ciments mélangés a montré des compositions différentes pour cet hydrate (variations dans les taux de Ca, Si, Al, S et Mg), mais ses propriétés mécaniques n’ont pas été significativement affectées par l’incorporation des ACs dans des dosages typiques. Les résultats présentés ont aussi démontré le rôle important des autres phases imbriquées dans la matrice de C–(A)–S–H, soit les inclusions anhydres dures (ex. le clinker et les ACs) et les autres hydrates tels que la Portlandite et les hydrates riches en aluminium (ex. les carboaluminates) avec des propriétés mécaniques plus élevées que celles des C–(A)–S–H. La thèse est basée sur cinq articles couvrant : (1) une analyse NI-EDS de systèmes incorporant des volumes élevés de pouzzolanes naturelles; (2) le développement de la méthode NI-QEDS; des analyses statistiques NI-QEDS (3) de systèmes avec cendres volantes et laitier, et (4) d’un système combinant ciment, calcaire et argile calcinée; et (5) une exploration déterministe NI-QEDS de systèmes conventionnels et alternatifs incorporant la poudre de verre, le métakaolin, le laitier ou la cendre volante. Finalement, en plus d’avancer les derniers modèles et méthodes micromécaniques, l’outil développé a fourni une perception chimico-mécanique originale des phases microstructurales et de leur arrangement. Le dévoilement de la signature chimico-mécanique de ces pâtes de ciments mélangés particulièrement complexes offre un savoir unique pour l’ingénierie des bétons de demain. / Abstract : Facing the limitedness of the earth’s resources and pollution absorption capacity, the development of eco-concrete for a sustainable industrialized future is one of the major challenges of modern concrete science. Due to its complex heterogeneous nature, the macro-scale properties of concrete strongly depend on the microstructure constituents (e.g., calcium-silicate-hydrates [C–S–H], Portlandite, anhydrous inclusions, porosity, aggregates, etc.). Moreover, the need for rapid and optimal exploitation of emerging binding materials in industrial applications urges today a better understanding of their chemo-mechanical features at the micrometer scale. This thesis aims at developing a state-of-the-art method coupling NanoIndentation and Quantitative Energy-Dispersive Spectroscopy (NI-QEDS), and providing an original chemo-mechanical characterization of the microstructure phases in highly heterogeneous matrices of real blended-cement pastes. The combination of statistical and deterministic NI-QEDS analysis approaches opened new research horizons in the understanding of Portland-cement systems incorporating conventional and alternative supplementary cementitious materials (SCMs). More specifically, the investigations of C–(A)–S–H (C–S–H including aluminum or not) in different blended-cement systems showed variable compositions for this hydrate (i.e., Ca, Si, Al, S and Mg contents), but the mechanical properties were not significantly affected by the incorporation of SCMs in typical dosages. The presented results also showed the important role of the other phases embedded in the C–(A)–S–H matrix, i.e., hard anhydrous inclusions (e.g., clinker and SCMs) and other hydrates such as Portlandite and Al-rich hydrates (e.g., carboaluminates) with mechanical properties higher than those of the C–(A)–S–H. The thesis is based on five articles focusing on: (1) the NI-EDS investigation of high-volume natural pozzolan systems; (2) the development of the NI-QEDS method; the statistical NI-QEDS analyses of (3) fly ash and slag blended-cement systems and of (4) a limestone-calcined-clay system; and (5) the deterministic NI-QEDS exploration of alternative and conventional systems incorporating glass powder, metakaolin, slag or fly ash. Finally, the developed tool not only advanced the latest micromechanical methods and models, but also provided original chemo-mechanical insights on the microstructure phases and their arrangement. Unveiling the chemo-mechanical signature of these highly-complex blended cement pastes further provided unique knowledge for engineering concretes for tomorrow.

Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L’objectif de cette thèse est d’élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l’étude se base sur l’échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d’homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l’eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l’échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l’échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l’action combinée de l’eau dans l’espace poreux et d’un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l’intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d’un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée / In pre-stressed concrete structures, creep and shrinkage tend to reduce the pre-stress forces which are initially produced so as to maintain concrete in a state minimizing traction forces and then cracks. Understanding and predicting these phenomena through models are thus highly important for the design and durability of civil engineering structures, such as containment buildings in nuclear power plants.The objective of this thesis is to develop a micromechanical modeling framework to describe shrinkage and creep in cementitious materials in a unified manner. For this purpose, the study focuses on the scale of the porous structure of the C-S-H gel where the intrinsic mechanisms of delayed strains are active. A computational homogenization approach is developed to model these phenomena in porous structures with arbitrary morphologies. An explicit description of the porous network and of the liquid phase of water during the drying/humidification process is taken into account. The mechanisms related to delayed strains in the solid phase are modeled by the microprestress-solidification theory (MPS). The simulations at the microscale are conductedbased on an original approach coupling the Lattice Boltzmann method (LBM) and the finite element method (FEM). The LBM is used to describe the distribution of capillary water in the porous structure, whereas the FEM serves as modeling the strain of the solid skeleton under the capillary water effets and a macroscopic load.The proposed method allows, by means of the simulations, to better understand the mechanisms related to the capillary effects in the porous structure. More specifically, taking into account realistic morphologies of microstructures and of the formed menisci lead to different regimes of shrinkage/swelling. Then, the effects of capillary pressure intensity, of surface tension and of morphologies of capillary surfaces on the elastic response of the solid skeleton are evaluated. Finally, the above approaches are extended to the case of a viscoelastic solid deformed under the action of the capillary water. From numerical observations, we propose a model is proposed to describe the creep and shrinkage of C-S-H gel in a unified way

Impregnace na bázi silikátů se široce používá k ochraně betonu před agresivním prostředím. Pochopení aspektů týkajících se tohoto typu impregnace však není zcela jasné. Tato práce představuje informaci o jednotlivých vlastnostech vybraných křemičitanů, přesněji draselného, sodného, lithného a koloidního oxidu křemičitého (koloidní silika), dále o účinnosti z hlediska nasákavosti, stupni účinku na hydrataci cementu, schopnosti těchto látek uzavřít póry a jejích vliv na mikrostrukturu cementového substrátu a na penetrační schopnost. Účinnost filmotvorných látek byla hodnocena jak na čerstvém cementovém tmelu, tak na vyzrálejším, aplikovaných po 1 a 24 hodinách od smíchání směsi. K dosažení kvalitativních výsledků byly použity instrumentální metody, jako je rtuťová porosimetrie, rheometrie, izotermální kalorimetrie, rentgenová difrakční analýza a skenovací elektronová mikroskopie. S ohledem na provedené testy byla prokázána určitá účinnost ošetřujících přísad. Výsledky všech testů ukázaly vyšší účinnost těchto látek v případě ošetření na vyzrálejším cementovém povrchu, což bylo pravděpodobně způsobeno vyšším stupněm hydratace, díky čemuž se vytvořily nové fáze, se kterými silikáty byly schopné zareagovat a jistým způsobem ovlivnit mikrostrukturu.