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.

La carbonatation atmosphérique et la pénétration des ions chlorures sont les principales causes du déclenchement de la corrosion des armatures dans les bétons armés. Chacun de ses mécanismes a fait l'objet de nombreuses études dans la bibliographie. Pourtant les études prenant en compte en même temps les deux types d'agression sont rares. Le couplage des deux phénomènes existe cependant. La carbonatation intervient en effet dans tout ouvrage dès le décoffrage et il suffit que cet ouvrage soit aussi par exemple situé à proximité d'eau de mer pour que les embruns apportent des ions chlorures dans le matériau. L'objectif de cette thèse a été de quantifier les différentes phases de la matrice cimentaire et ses capacités de fixation des ions chlorures par le biais d'isothermes d'interactions pour des matériaux sains et carbonatés. Ces isothermes d'interactions obtenues notamment par la méthode des équilibres ont permis de voir que les matrices partiellement ou totalement carbonatées fixaient moins d'ions chlorures que les matrices saines. L'utilisation de moyens complémentaires d'analyses tels que l'analyse thermogravimétrique (ATG), la diffraction des rayons X (DRX) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mieux comprendre cette perte de fixation. Une diminution des sels de Friedel et des chlorures fixés par les C-S-H a été ainsi mise en évidence dans les matériaux carbonatés. Ces diminutions qui on été quantifiées sont attribuées à une modification sous carbonatation des phases capables de fixer les ions chlorures (phases aluminates, sulfo-aluminates et C-S-H). Des différences au niveau du réseau poreux ont été également mises en évidence par la porosimétrie par intrusion de mercure (diminution de la macroporosité et de la connectivité en général pour les matrices carbonatées par formation de CaCO3). L'objectif a été aussi de corréler toutes ces modifications observées avec les propriétés de transport des ions qui ont été obtenues par des tests de diffusion et migration des ions chlorures (et/ou sulfates) ainsi que des mesures de résistivité électrique. Les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de diffusion apparent est plus grand dans les matériaux carbonatés. Certaines expériences de diffusion faites en présence à la fois d'ions chlorures et sulfates ont aussi montré la concurrence de ces deux ions pour se fixer à la matrice cimentaire. Les matériaux cimentaires testés (bétons et pâtes) ont été formulés sans ou avec additions minérales (métakaolin, cendres volantes, laitier) et les propriétés de ces matériaux ont été observées à différents âges

La carbonatation est une pathologie qui affecte les matériaux à base de ciment tels que les bétons et lesmortiers. Les zones carbonatées du matériau deviennent fragiles et perdent ainsi leur pouvoir deprotection des aciers contre la corrosion. Les produits de corrosion engendrent alors une dégradation dubéton pouvant aboutir à la ruine de la structure.Six types de bétons adjuvantés et deux pâtes de ciments ont été formulés grâce à une étude rhéologiqueafin d’étudier l’effet de la carbonatation accélérée et naturelle sur la durabilité des bétons et des pâtesde ciments à base de ressources algériennes. Pour ce faire, plusieurs méthodes d’investigation sontutilisées, aussi bien à l’échelle macroscopique que microscopique.En conclusion, le modèle rhéologique empirique développé peut être utilisé pour formuler des bétonsrésistants à la carbonatation. L’étude de la carbonatation démontre que le protocole accéléré, peut serévéler moins agressifs que la carbonatation naturelle, notamment pour des pâtes de ciment denses.Dans ce cas, la carbonatation accélérée de la surface tend à combler la microporosité superficielle dubéton, freinant ainsi la diffusion du dioxyde de carbone, contrairement à la carbonatation naturelle quiagit de manière plus diffuse sans totalement obstruer la porosité. Moins les bétons sont compacts, plusle protocole accéléré s’avère effectif. / The carbonation is a pathology which affects cement-based materials such as concretes and mortars.The carbonated skin of material becomes brittle and losses the protection of inner steels againstcorrosion. The corrosion products generate a degradation of the concrete which may lead to thecollapse of the structure.Six types of adjuvant concretes and two cement pastes have been designed by a rheological study inorder to study the effect of accelerated and natural carbonation on the sustainability of concretes andcement pastes based on algerian resources. For this purpose, several investigation methods were usedwith both macroscopic and microscopic scales.In conclusion, the empirical rheological model developed herein can be used to formulate concretesresistant to carbonation. The study of carbonation shows that the accelerated protocol may be lessaggressive than the natural one, especially for dense cement pastes. In this case, the acceleratedcarbonation of the surface tends to fill up the superficial microporosity of the concrete, slowing downthe production of carbon dioxide, contrary to the natural carbonation which acts more diffusely withoutcompletely obstructing the pores. The lesser compact is the concrete, the more effective is theaccelerated protocol.

Actuellement, il est largement reconnu que la durabilité des structures en béton armé, due à la corrosion des armatures engendrée par la carbonatation ou la pénétration des chlorures, peut être affectée largement par les conditions de cure et de serrage du béton coulé en place. Toutefois, les effets de ces conditions sur la qualité du béton ne sont pas encore entièrement comprises, puisqu'elles sont habituellement négligées (ou traitées superficiellement) dans les méthodologies actuelles de performance utilisées pour la spécification et contrôle de sa durabilité. Dans ce travail sont étudiés les effets des conditions habituelles de mise en place (y compris le serrage) et cure sur les propriétés de durabilité du béton, à savoir, la résistance à la carbonatation accélérée, le coefficient de migration des chlorures (dans des conditions non stationnaires), l'absorption d'eau et la perméabilité aux gaz (méthode CEMBUREAU). À cette fin, plusieurs bétons de différent composition, sans et avec cendres volantes, ont été soumis à deux principaux programmes expérimentaux. Dans le premier programme, trois bétons ont été soumis à une cure humide dans le laboratoire à différentes températures, entre 5 °C et 60 °C, et testés à différents âges, entre 28 et 182 jours, pour quantifier l'effet isolé de la température de cure sur les propriétés de durabilité du béton. Dans le deuxième programme, plusieurs éléments (dalles, poutres et poteaux) ont été coulés sur chantier, pendant l'hiver et l'été, après avoir été soumis à deux conditions différentes de serrage, vibré et non vibré, et démoulés à différentes à 24 h et 72 h. Les propriétés de durabilité du béton près de la surface et de cœur des éléments (propriétés réelles) ont ensuite été mesurées à différents âges, entre 28 et 364 jours, et comparées avec les propriétés des échantillons vibrés et curés en conditions normalisées (propriétés potentielles). / It is widely recognized that the long-term durability of reinforced concrete structures related to carbonation- and chloride-induced corrosion can be detrimentally affected by on-site placing and curing conditions of concrete. However, the effects of these conditions on concrete durability are still not fully understood, being usually overlooked in current performance-based specifications and control of concrete durability. In this work, the effects of realistic placing (including compaction) and curing conditions on the concrete durability-related properties most used in performance-based specifications are studied, such as the accelerated carbonation resistance, chloride migration coefficient (non-steady state conditions), water absorption and gas permeability (CEMBUREAU method). For that purpose, several concretes of different composition, with and without fly ash addition, were subjected to two main experimental programs. In the first program, the concretes were cured in the laboratory under several temperature regimes, ranging from 5 ºC to 60 ºC, and then tested at different ages, from 28 to 182 days, in order to evaluate the isolated effect of curing temperature on their durability-related properties. In the second program, several concrete elements (slabs, beams and columns) were cast outdoors, during the winter and summer, and subjected to different compaction (vibrated and not vibrated) and curing (demoulded after 24 h and 72 h) conditions. The durability-related properties of the inner and outermost concrete of the elements (actual properties) were then measured at different ages, from 28 to 364 days, and compared with those of standard specimens made of the same concrete (potential properties).

Les budgets alloués aux réparations des ouvrages et du patrimoine bâti ont atteint un niveau important. Une démarche scientifique est donc réfléchie pour réduire ces budgets par la mise en place d’outils visant à optimiser et fiabiliser le diagnostic structural des ouvrages. Les méthodes de contrôle non destructif (CND) constituent l’une des voies adaptées. Ces techniques reposent sur des principes physiques bien connus et les sociétés de service en proposent aujourd’hui un emploi courant, mais de nombreux verrous subsistent. Les deux besoins majeurs des gestionnaires d’ouvrages sont celui de l’optimisation de la stratégie de reconnaissance (où mesurer ? en combien de points ? avec quelle(s) techniques(s) et quelle précision ?) et celui de la quantification des propriétés mécaniques des matériaux ou des indicateurs de durabilité telles que la résistance à la compression, l’épaisseur carbonatée, le taux d’humidité. La question est comment déduire ces propriétés et ces indicateurs des mesures faites ? Et quelles sont la précision et la fiabilité de l’évaluation ?Cette thèse s’inscrit dans le cadre de deux projets nationaux de recherche : le projet ACDC-C2D2 et le projet ANR EvaDéOS. L’objectif principal est d’analyser la variabilité issue du CND pour ensuite remonter à la variabilité spatiale des bétons en conditions réelles. Les techniques de CND considérées sont choisies parmi les plus complémentaires : radar, résistivité électrique, ultrasons et rebond (scléromètre). Les résultats sont obtenus à partir d’une large campagne expérimentale effectuée sur des dalles d’un site test et sur deux ouvrages. L’analyse de la variabilité des CND a permis d’évaluer le nombre minimal de mesures nécessaire pour un niveau de confiance souhaité. D’autre part, la corrélation spatiale des données a été modélisée par l’analyse variographique. Les résultats montrent que, dans certain cas, les mesures de CND ne sont pas spatialement indépendantes. Les longueurs de corrélation identifiées dépendent de la propriété mesurée ainsi que du béton de l’ouvrage ausculté. La connaissance de ces longueurs de corrélation est un résultat nouveau qui permettra d’une part de mieux estimer la variabilité spatiale des bétons et d’autre part d’alimenter de manière plus réaliste les calculs fiabilistes des ouvrages. Elle permet également d’identifier un pas d’échantillonnage optimal sur ouvrage dans le cadre du suivi temporel ou pour effectuer des analyses complémentaires (ex. carottage, CND complémentaire ou plus fiable) et de représenter au mieux la cartographie spatiale des propriétés du béton.Dans le cadre du projet de recherche ANR EvaDéOS, les effets de la carbonatation et des gradients de teneur en eau (gradient d’humidité) sur les techniques CND ont été étudiés. Ce travail a pour objectifs d’étudier la sensibilité des techniques de CND à évaluer ces deux indicateurs de durabilité ainsi que leur impact sur la variabilité des mesures de CND. En laboratoire, des campagnes expérimentales ont été réalisées sur corps d’épreuve ayant différentes profondeurs de carbonatation ou des gradients d’humidité. L’effet de la carbonatation a été quantifié pour certains observables : résistivité électrique, vitesse ultrasonore et rebond. En ce qui concerne la variabilité des mesures de CND, l’effet de la carbonatation est seulement notable dans le cas du béton saturé, en particulier pour la variabilité locale de la résistivité électrique et du rebond. Cet effet reste faible par rapport à l’effet du degré de saturation. Les premiers résultats montrent également que les mesures de la résistivité électrique permettraient de suivre des gradients d’humidité dans le béton. / The budgets assigned to the repair of structures and built heritage have reached an alarming level. A scientific approach is needed to reduce these budgets by implementing tools for a more reliable and optimal assessment of existing structures. Non-destructive testing (NDT) techniques constitute one of approaches adapted to real conditions. These techniques are based on well-known physical principles. Many companies offer their services in NDT domain today but many challenges remain. The two particular needs of structure managers are the optimization of the assessment strategy (where to measure? how many testing points? what technique(s) and what precision?) and the quantification of mechanical properties of materials or durability indicators such as the compressive strength, the carbonation depth, the moisture content. The questions are how to estimate these properties from measurements performed, and what are the accuracy and reliability of the evaluation?This thesis is part of two French research projects: ACDC-C2D2 and ANR EVaDéOS. The main objective is to analyze the variability of non-destructive testing (NDT) measurements for assessing the spatial variability of concrete in real conditions. NDT techniques considered are chosen as being complementary: radar, electrical resistivity, ultrasonic, rebound hammer. The results are obtained from a wide campaign of measurements, which was performed on concrete slabs of a testing site and on two existing structures. The analysis of the NDT variability makes it possible to assess the necessary minimum number of measurements for a desired level of confidence. Furthermore, the spatial correlation of the data was modeled using the variogram analysis. In some cases, the results show that NDT measurements are not spatially independent. The correlation lengths identified depend on the measured property and the concrete of the structure inspected. They are a new result, which will provide on one hand a better evaluation of spatial variability of concrete and on the other hand a more realistic input of reliability calculations of structures. The correlation length allows also the identification of an optimal sampling distance on existing structure within the monitoring time or the implementation of additional analyses (eg. core, complementary or more reliable NDT) and a better representation of the spatial mapping of concrete properties.Within the framework of the ANR EvaDéOS research project, the effects of carbonation and of moisture gradients on NDT measurements were studied. This work aims to study the sensitivity of NDT techniques for assessing these two durability indicators and their impact on the variability of NDT measurements. In laboratory, the experimental surveys were carried out on testing specimens having different depths of carbonation or moisture gradients. The effect of carbonation was quantified for several parameters: electrical resistivity, ultrasonic pulse velocity and rebound hammer. With respect to the variability of NDT measurements, the effect of carbonation is only significant in the case of saturated concrete, in particular for the local variability of electrical resistivity and rebound hammer. This effect is weak in comparison with the effect of saturation degree. The first results show also that the measurements of electrical resistivity would follow moisture gradients in concrete.

En vue de réduire à moyen terme les émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique, le captage-transport-stockage du dioxyde de carbone (CO2) est considéré comme une technologie prometteuse. Plusieurs sites pilotes existent déjà dans le monde. Cependant, avant de développer la technique de façon industrielle, des recherches expérimentales et numériques doivent être menées afin de garantir le succès et la pérennité d'un projet de stockage. Sur un site de stockage, les discontinuités naturelles ainsi que le(s) puits d'injection constituent des chemins préférentiels pour des fuites éventuelles. Ce travail de doctorat s'attache à l'étude des effets de la présence de dioxyde de carbone sur les géomatériaux en présence et, plus particulièrement, sur le ciment du puits d'injection. L'intégrité du puits et donc la garantie de son étanchéité est critique au niveau de la roche de couverture. Après injection et remontée du panache de dioxyde de carbone vers la roche de couverture, le ciment du puits au niveau de la zone triple (puits/réservoir/couverture) est en contact avec un fluide saturé en CO2 dissous. Un tel fluide, au pH acide, est amené à réagir avec les géomatériaux et entraîne diverses réactions de dissolution des minéraux de la matrice cimentaire ainsi que des réactions de précipitation pouvant altérer le matériau. Ce couplage fort existant entre réactions chimiques et comportement poro-mécanique du ciment du puits peut en effet induire un endommagement de la matrice cimentaire, lié aux modifications de la porosité et des caractéristiques de transport, à la dégradation des modules mécaniques, ou encore à la création de surpressions interstitielles localisées. Un modèle constitutif entièrement couplé a été développé pour simuler le comportement chimio-poromécanique du ciment en présence d'un fluide chargé de CO2. Ce modèle a été implémenté dans deux codes numériques, à savoir, un code aux volumes finis d'une part, et un code aux éléments finis, BIL, développé au Laboratoire Navier, d'autre part. La première implémentation se révèle être bien adaptée aux problèmes de transport réactif à front raide, et est utilisée dans ce mémoire pour modéliser une géométrie unidimensionnelle alliant ciment du puits et roche de couverture. La seconde méthode d'implémentation est quant à elle mieux adaptée à la modélisation du comportement poro-mécanique du ciment, mais, comme nous le verrons, nécessite des adaptations numériques a fin d'être convenable pour la modélisation de phénomènes chimiques impliquant des discontinuités. L'endommagement mécanique lié aux phénomènes chimiques est évalué d'une part via une approche micro-mécanique simplifiée, et d'autre part par une théorie de l'endommagement isotrope. En fin, en ce qui concerne la seconde approche, les résultats sont comparés à des tests expérimentaux issus de la littérature scientifique dans le contexte du stockage géologique du CO2 / In order to reduce in medium-term the anthropogenic original greenhouse gas, the processes of capture-transport-storage of carbon dioxide (CO2) is considered as a promising technology. Several pilot sites already exist in the world. However, before developing the technology on an industrial scale, experimental and numerical researches have to be performed in order to ensure the success and the sustainability of a storage project. In a storage site, the natural discontinuities of the rocks and of the injection wells are normally the preferential leak paths of CO2. In this context, the present PhD research focuses particularly on the cement injection wells. The problems of the integrity of the well and thus ensuring its sealing are the critical points of the caprock.After the injection and the ascent of the CO2 plume to the caprock, the cement paste of well at the triple zone (well/ reservoir/caprock) is contacted with a fluid saturated with dissolved CO2. Because of its acidity, such a fluid is reacted with geomaterials and causes diverse reactions of dissolution of the minerals in the cementitious matrix and precipitation reactions that may affect the material. This strong coupling existing between the chemical reactions and poro-mechanical behavior of the cement well can indeed induce damage to the cementitious matrix related to the modifications of the porosity and the transport characteristics, to the degradation of mechanical modulus, or to the development of localized pore pressure.A constitutive model fully coupled has been developed to simulate the chemo-poro-mechanical behaviour of the hard cement paste of the well with the presence of a CO2-rich fluid. This model has been implemented in two numerical codes: on the one hand, a finite volume code, and on the other hand, a finite element code, BIL, developed at the Navier Laboratory. The first implementation was found to be well adapted to the problems of reactive transport with sharp front, and is used in this thesis to modeling an one-dimensional geometry by combining the cement well and the caprock. The second implementation method is best suited to modeling the poro-mechanical behavior of cement, but, as we shall see, requires numerical adaptations in order to be suitable for modeling chemical phenomenon involving discontinuities. The mechanical damage related to chemical phenomena is evaluated firstly via a simplified micro-mechanical approach, and secondly a theory of isotropic damage. Finally, the results are compared to experimental tests from the scientific literature in the context of the CO2 geosequestration

Cette thèse porte sur l'étude de la caractérisation et le traitement de saumures alcalines. La carbonatation directe de saumures résiduaires (SR), par introduction d'une partie du CO2 issu de fumées industrielles, est réalisée dans un souhait de réduction des émissions de CO2 et en vue d'une valorisation potentielle des produits obtenus. Cette recherche se concentre sur l'étude des composés carbonatés, l'objectif général est d'établir le lien entre la réactivité des carbonates et leur valorisation (ici, désulfuration de fumées acides). Les SR sont complexes, l'étude de leur composition chimique et minéralogique a été réalisée en partie par spectroscopie Raman afin de mettre en évidence les interactions OH-Cl dans les échantillons humides. Les différents hydroxydes sont consommés au cours de la carbonatation pour précipiter des carbonates de calcium (calcite, aragonite). La composition chimique détermine les réactions de carbonatation alors que les paramètres physiques influencent la vitesse des réactions ainsi que la morphologie et la pureté des carbonates. L'évolution des phases au cours de la carbonatation des SR a été suivie par spectroscopie et un premier modèle statistique de prédiction des concentrations en carbonates a été développé. La deuxième partie de ce travail porte sur la caractérisation des carbonates obtenus et des paramètres, tel que l'hydratation, pouvant influencer leur valorisation. L'importance de l'hydratation dans la réactivité des produits DECALCO a été observée de l'échelle microscopique au pilote semi-industriel. Les essais de désulfuration de fumées acides ont été menés avec des taux de conversion du SO2 atteignant 65 à 70 % / This study is a contribution to the characterization and the treatment of alkaline industrial wastes. The direct carbonation of residual brines (RB) by CO2 bubbling results in a gas emission reduction and a potentially valorization of resulting products. This research was focused on carbonate products. The main objective is to link reactivity and valorization (here, desulfurization of industrial fumes). The RB are complex, their chemical and mineralogical composition was studied in particular by Raman spectroscopy to monitor OH-Cl interaction in humid samples. The different hydroxides phases are consumed during carbonation to precipitate calcium carbonates (calcite and aragonite). The chemical composition of RB determines the main part of the reaction of carbonation whereas physical parameters influence the reaction kinetics, the by-products morphology and purity. The feasibility of on-line monitoring of the phases evolution during carbonation using spectroscopy has been validated and a first statistical model for the prediction of carbonate concentration has been developed. The second part of this works concerns the characterization of precipitated carbonates and some parameters as hydration which can influence their valorization. The importance of hydration on the carbonates reactivity was observed in microscopy and at pilot scale. Desulfurization tests of industrial fumes in semi-humid way provided a conversion rate of SO2 ranging between 65 and 70%

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des contrôles non destructifs du béton par ultrasons. Nous focalisons notre étude sur les mesures en acoustique non linéaire qui permettent d’ausculter le béton à l’échelle mésoscopique où les ondes interagissent avec les microfissures et le réseau de porosité. Les paramètres associés sont connus comme étant beaucoup plus sensibles que ceux issus des mesures linéaires. Le béton est un matériau hétérogène et complexe, ce qui présente un comportement fortement non linéaire croissant avec l’état endommagé.Nous développons dans cette thèse un type de mesure non linéaire : Dynamic Acousto-Elastic Testing (DAET). Cette technique fondée sur le principe d’une excitation dynamique du matériau, utilise les ondes ultrasonores pour suivre la variation du comportement élastique en fonction de l’amplitude d’excitation. Nous focalisons notre étude sur le problème du béton d’enrobage qui tient un rôle essentiel dans la durée de vie d’une structure de génie civil. Nous étudions l’interaction des mesures non linéaires par DAET avec les ondes de Rayleigh qui se propagent dans le béton d’enrobage. Nous montrons la sensibilité importante de l’évolution de paramètres non linéaires en fonction de l’endommagement thermique et de la carbonatation.Par la suite, nous proposons une nouvelle méthodologie de la mesure DAET, dans laquelle la vibration transitoire est générée par un impact et les ondes sont générées en continue. Nous présentons différentes applications de la méthode proposée, incluant le cas des éprouvettes de grandes dimensions. Cette approche ouvre de larges possibilités de transposer les mesures pour une application sur site. / This thesis is related to the field of nondestructive evaluation of concrete by ultrasound. We focus our study on nonlinear acoustic-based measurements that allow the concrete auscultation at mesoscopic scale where waves interact with microcracks and porosity network. The nonlinear parameters are known to be much more sensitive than those from linear measurements. Concrete is a heterogeneous and complex material. Its behavior is highly nonlinear with increasing damaged state.We develop in this thesis a type of nonlinear measurement: Dynamic Acousto-Elastic Testing (DAET). This technique is based on the principle of a dynamic excitation of the material, using ultrasounds to follow the variation of the elastic behavior depending on the excitation amplitude. We focus our study on the problem of concrete cover which holds a key role in the life of a civil engineering structure. We study the interaction of the DAET measurement with the Rayleigh waves which propagate in the concrete cover. We show the high sensitivity evolution of non-linear parameters in function of thermal damage and carbonation.Subsequently, we propose a new methodology of DAET measurement, in which the transient vibration is generated by an impact and ultrasounds are generated continuously. We present different applications of the proposed method including the case of large specimens. This approach opens broad possibilities of transposing measurements for on-site application.

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. / Cement is the main source of environmental impacts of concrete use. It is thus recognized that the most pragmatic solution for minimizing environmental impacts of concrete is the reduction of the cement content. This could be achieved by replacing a part of cement by mineral additions such as fly ash or blast-furnace slag during concrete mixing.The present work aims at studying the physico-chemical phenomena occurring during the process of carbonation of concrete mixtures with high substitution rates of cement by mineral additions and their resistance against this type of attack.An experimental campaign was conducted on reference concrete mixtures prepared with common cements and on other concrete mixtures, called “Écobétons” (Green concretes), prepared by replacing a part of cement by fly ash or blast-furnace slag. The study focused on the Écobétons durability, especially their resistance against carbonation, on the equivalence of Écobétons performances with the reference mixtures performances and on the composition and microstructure parameters controlling the kinetics of carbonation. Carbonation has been studied in natural and accelerated conditions. The results show that Écobétons mixtures with high substitution rates of cement by fly ash (50 %) and blast-furnace slag (75 %) could replace, in some cases, concretes that are in accordance with the current standard.In addition to the experimental study, numerical simulations of the coupling between hydration and drying were conducted in order to determine the effect of drying on the properties controlling the accelerated carbonation kinetics of the studied concrete mixtures (porosity, Portlandite content and water saturation degree). The results show that the kinetics of drying increases with the degree of substitution of cement by mineral additions. They also question the relevance of the preconditioning of the samples during accelerated carbonation test conducted according to the French standard XP P 18-458.

Depuis le milieu des années 90, la minéralisation in situ du CO2 est envisagée comme une solution durable et efficace pour limiter ses émissions anthropiques vers l'atmosphère. Il s'agit de récupérer le CO2 émis par certaines industries pour le piéger en profondeur sous forme minérale (carbonates) dans les aquifères mafiques et ultramafiques naturels (de type basaltes et péridotites). La carbonatation du CO2 a été largement décrite dans les systèmes naturels où elle apparait à travers une série de réactions chimiques couplées au transport des espèces réactives dans le fluide. Plusieurs expériences en réacteurs fermés ont été menées depuis une quinzaine d'années afin de mieux comprendre les paramètres physico-chimiques contrôlant ces réactions. Mais très peu d'études n'ont encore caractérisé les processus de transport-réactif au cours de l'injection et de la minéralisation in situ du CO2 dans ces roches.Ces travaux visent à répondre à 3 principaux objectifs : (i) caractériser l'évolution des chemins réactifs lors de l'injection de CO2 dans des roches (ultra-)mafiques, (ii) mesurer les effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamiques du milieu et (iii) quantifier le rendement et la pérennité des processus sur le long terme. Ils s'appuient sur le développement de protocoles expérimentaux pour (i) reproduire l'injection de CO2 dans les roches (ultra-)mafiques et (ii) caractériser les réactions à l'aide d'une série d'outils géochimiques et analytiques de l'échelle atomique à centimétrique. Trois séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisé sur des agrégats (ultra-)mafiques relativement simples (olivines de San Carlos et d'Hawaii) et plus complexes (basaltes de Stapafell) dans des conditions de P-T-confinement in situ (Ptot=10-25 MPa ; T=180-185°C;Pconf=15-28 MPa).Les résultats obtenus ont permis de différencier plusieurs chemins réactifs dans ces systèmes en fonction du transport du fluide, de la porosité du milieu, des hétérogénéités locales de la roche, de la minéralogie et/ou des variations locales de la composition chimique du fluide. Les calculs du bilan de masse ont révélé une minéralisation efficace du CO2 contrôlée par les propriétés chimiques et hydrodynamiques du milieu. Mais certaines réactions associées à l'altération des roches (ultra-)mafiques (hydratation) ont des effets en retour négatifs sur les propriétés réservoirs de la roche (porosité, perméabilité) pouvant compromettre la pérennité du stockage du CO2 dans les aquifères naturels sur le long terme.Ces nouvelles données permettront aux modèles numériques de mieux simuler la carbonatation des roches (ultra-)mafiques en connaissant les propriétés hydrodynamiques du milieu et les hétérogénéités structurales du réservoir. Elles suggèrent aussi qu'un meilleur contrôle de certains paramètres d'injection, comme le débit ou la composition du fluide injecté (ex: pCO2), permettrait d'améliorer le taux et le rendement de la carbonatation. / Since the mid-90s, in situ mineralization of CO2 has been considered as a safe and efficient solution to mitigate its anthropogenic emissions to the atmosphere. It is to recover the CO2 emitted by some industries and trap it in the mineral form (carbonates) in mafic and ultramafic aquifers (e.g. basalts and peridotites). The carbonation of CO2 has been widely described in natural systems where it occurs through a series of complex chemical reactions coupled to the transport of reactive species in the fluid. Numerous experiments have been conducted in batch reactors over the past fifteen years to better understand the physico-chemical parameters controlling the carbonation of (ultra-)mafic rocks. But few studies have further characterized the coupling reactive-transport processes during the injection and in situ mineralization of CO2 in these rocks.This work aims to meet 3 main objectives: (i) characterize changes in reaction paths during the injection of CO2 in (ultra-)mafic systems, (ii) measure the feedbacks effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties and (iii) quantify the efficiency and sustainability of such processes over long time periods. It is based on the development of experimental protocols to (i) reproduce the injection of CO2 into (ultra-)mafic rocks and (ii) characterize the reactions using a series of geochemical and analytical tools from the atomic to the centimetric scale. Three series of reactive percolation experiments have been performed on (ultra-)mafic aggregates from relatively simple (olivines from San Carlos and Hawaii) to more complex samples (basalts from Stapafell) under in situ P-T-containment conditions (Ptot=10-25 MPa; T=180-185°C; Pcont=15-28 MPa).The results allowed us to differentiate several reactions paths in these systems depending on the fluid transport, rock porosity, local hydrodynamic properties, mineralogy and/or local changes in the fluid composition. Mass balance calculations have revealed an efficient mineralization of CO2 in the samples. It is controlled by the chemical and the hydrodynamic properties of the rock at the pore scale. But some reactions associated with the alteration of (ultra-)mafic rocks (e.g. hydration) have negative feedbacks effects on the reservoir rock properties (porosity and permeability) that may compromise the sustainability of CO2 storage in natural aquifers in the long term.These new supporting data will allow numerical models to better simulate the carbonation of (ultra-)mafic rocks knowing the hydrodynamic properties and the structural heterogeneities of the reservoir. They also suggest that a better control of some injection parameters, such as the flow injection rate and the injected fluid composition (e.g. pCO2), would improve the rate and yield of CO2 mineralization in these systems.