L'incorporation des ajouts cimentaires dans le béton est connue pour ses avantages technologiques et environnementaux. Pour assurer une plus grande utilisation des ajouts cimentaires, il faut accroître la connaissance dans ce domaine surtout les facteurs relatifs à la durabilité des ouvrages construits avec les bétons contenant des ajouts minéraux. Jusqu'à présent, la plupart des études sur les bétons contenant de la cendre volante et du laitier semblent s'accorder sur leur moins bonne durabilité à l'écaillage surtout lorsqu'on les compare au béton ordinaire. Les raisons de cette moins bonne performance ne sont pas toutes connues et cela limite bien des fois l'incorporation de la cendre volante et de laitier dans le béton pour des ouvrages fortement exposés aux cycles de gel-dégel en présence de sels fondants. Cette thèse vise la compréhension des problématiques de la durabilité à l'écaillage des bétons contenant des ajouts cimentaires tels la cendre volante et le laitier. Les objectifs sont de mieux comprendre la représentativité et la sévérité relative des essais normalisés ASTM C672 et NQ 2621-900 pour l'évaluation de la durabilité à l'écaillage de ces bétons, d'étudier l'influence de la méthode de mûrissement sur la durabilité à l'écaillage et d'étudier la relation entre la durabilité à l'écaillage et la sorptivité des surfaces de béton ainsi que la particularité de la microstructure des bétons contenant de la cendre volante. Cinq types de bétons à air entraîné contenant 25% et 35% de cendre volante et laitier ainsi que 1% et 2% de fumée de silice ont été produits, mûris selon différentes méthodes et soumis à des essais accélérés selon les deux procédures normalisées ainsi qu'un essai de sorptivité. Les différentes méthodes de mûrissement sont choisies de façon à mettre en évidence aussi bien l'influence des paramètres des essais que celle de la méthode de mûrissement elle-même. La durabilité en laboratoire des bétons testés a été comparée avec celle de bétons similaires après 4 et 6 années de service. La microstructure des bétons en service a été analysée au moyen du microscope à balayage électronique (MEB). Les résultats montrent que la qualité du mûrissement influence grandement la durabilité à l'écaillage des bétons contenant de la cendre volante et de laitier surtout lorsqu'ils sont soumis aux essais accélérés en laboratoire. La durée du prétraitement humide est un paramètre clé de la durabilité à l'écaillage des bétons testés en laboratoire. Le prétraitement humide correspond à la durée totale du mûrissement humide (100% HR) et de la période de présaturation. Pour les deux méthodes d'essai, l'allongement du prétraitement humide à 28 jours améliore la résistance à l'écaillage de tous les types de bétons et en particulier celle des bétons avec cendres volantes. Pour les deux méthodes d'essai, l'allongement du prétraitement humide à 28 jours améliore la résistance à l'écaillage de tous les types de bétons et en particulier celle des bétons avec cendres volantes. La période de présaturation de 7 jours de la procédure NQ 2621-900 a un effet similaire à celui d'un mûrissement humide de même longueur. Un mûrissement humide de 28 jours apparaît optimal et conduit à une estimation plus réaliste de la résistance à l'écaillage réelle des bétons. Pour une même durée de prétraitement humide, les procédures NQ 2621-900 et ASTM C672 donnent des résultats équivalents. L'utilisation d'un moule à fond drainant n'a pas d'effet sur la résistance à l'écaillage des bétons de cette étude. Bien que le mûrissement dans l'eau saturée de chaux offre toute l'eau requise pour favoriser le développement des propriétés du béton et l'amélioration de sa durabilité à l'écaillage, elle lessive cependant les ions alcalins ce qui diminue défavorablement l'alcalinité et le pH de la solution interstitielle de la pâte de ciment près de la surface exposée. L'utilisation d'un agent de mûrissement protège mieux les bétons contenant de la cendre volante et améliore significativement leur résistance à l'écaillage mais elle a tendance à réduire la durabilité à l'écaillage des bétons contenant du laitier. Pour développer une bonne résistance à l'écaillage, il est essentiel de produire une surface de béton imperméable qui résiste à la pénétration de l'eau externe. La perméabilité et la porosité de la peau du béton sont étroitement liées à la sorptivité. L'allongement de la durée de mûrissement humide des bétons avec ajouts cimentaires diminue systématiquement la sorptivité et améliore leur durabilité à l'écaillage, particulièrement dans le cas des bétons avec cendres volantes. Les résultats montrent qu'il existe une bonne corrélation entre les résultats des essais d'écaillage et les mesures de sorptivité. La corrélation établie entre la sorptivité et la durabilité à l'écaillage des bétons, l'effet déterminant de la carbonatation sur la durabilité à l'écaillage des bétons avec cendres volantes ainsi que l'explication de l'origine de la différence de sévérité entre les essais ASTM C-672 et NQ 2621-900 sont les contributions scientifiques de cette thèse. Au plan technique et industriel, elle met en évidence le mode de mûrissement qui favorise une meilleure durabilité à l'écaillage des bétons et suggère une méthode de caractérisation en laboratoire qui ferait une meilleure prédiction du comportement en service.

Le développement durable et les conceptions plus écologiques sont devenus très présents dans le monde du génie civil. Cependant, un des matériaux de construction les plus utilisés figure parmi les plus polluants. En effet, la production du ciment, l'ingrédient clé du béton, est responsable d'une quantité importante d'émission de CO[indice inférieur 2]. Une solution est de remplacer une partie du ciment par des ajouts cimentaires provenant de sous-produits industriels, comme les cendres volantes provenant de la combustion du charbon. Au Québec, ce type d'ajout cimentaire n'est pas disponible localement. Une autre avenue est cependant possible, avec la combustion de biomasse sur un lit fluidisé. L'usine de pâtes et papiers Kruger, à Bromptonville, Québec, a récemment construit une usine de cogénération afin de valoriser ses boues de désencrage, ses boues primaires et secondaires et ses résidus de bois. À différents moments de la production, l'usine a produit six différentes cendres. Les températures de combustion ainsi que la provenance et les dosages en matières combustibles ont varié et produit des cendres ayant différentes propriétés dans les bétons. La présente recherche a tenté d'étudier et de comprendre la variation des propriétés sur bétons des différentes cendres pour ainsi faire un choix optimal selon les matières premières et les températures de combustion. Deux rapports E/L ont été testés : 0,55 et 0,4. Un taux de remplacement du ciment par les cendres de 20 % a été choisi à chaque fois. Les résultats montrent que les cendres demandent une plus grande quantité de superplastifiant, qui semble être reliée à la quantité de particules inférieures à 3 [micro]m. Des bétons formulés avec certaines cendres ont des résistances mécaniques très près ou supérieures au témoin dès 1 jour, tandis que d'autres ont de plus faibles propriétés mécaniques. La quantité de chaux libre présente dans les cendres semble avoir un effet bénéfique sur les résistances. Les perméabilités aux ions chlore à 28 jours sont souvent plus élevées que le témoin, mais se rapprochent ou sont plus faibles dans certains cas à 91 jours. Il est à noter que du gonflement et des microfissures apparaissent avec certaines cendres. Étonnamment, les cendres contenant le plus de chaux libre sont celles montrant le moins de gonflement.Le projet a aussi tenté d'étudier la compatibilité avec quatre superplastifiants de type polycarboxylate. Deux des six cendres ont été sélectionnées pour faire des bétons de rapport E/L de 0,4, toujours avec un taux de remplacement de 20 %. Parmi les quatre superplastifiants étudiés, seul le Glenium 7102 montrait une bonne rétention de l'affaissement avec les deux cendres.Le Viscocrete 2100 et le Adva 405 semblaient accentuer les gonflements et les microfissures observés précédemment. Finalement, des mélanges ternaires de rapport E/L de 0,4 ont été faits afin de tenter de diminuer la variabilité des performances entre les cendres. Des combinaisons ont été faites avec du métakaolin, du laitier, de la fumée de silice et une cendre volante normalisée de classe F. Il a été possible de conclure qu'une combinaison entre les cendres de Kruger et une cendre normalisée de classe F donne les mélanges les plus robustes.

Dans le cadre de la problématique de la réduction des gaz à effet de serre, les producteurs de ciment et de béton utilisent de plus en plus d'ajouts minéraux. Cette approche permet de diminuer le contenu en ciment des bétons et, par conséquent, les émissions totales de CO[indice inférieur 2] associées à la fabrication du ciment et du béton. Dans ce contexte, il est important de mieux comprendre l'influence des ajouts minéraux sur le développement du retrait endogène des matrices cimentaires. Les ajouts minéraux choisis pour cette étude sont : une cendre volante de classe F, un laitier de haut fourneau et une fumée de silice. Le rôle des ajouts minéraux sur le développement du retrait endogène a été étudié en mesurant, pour différents taux de remplacement du ciment, pour différents rapports eau/liant (E/L) et pour différentes température, l'évolution des variations volumiques endogènes en fonction du temps (0 - 14 jours). Ces variations volumiques ont été ensuite analysées en prenant en compte le degré d'hydratation du liant, le retrait chimique et la structure de la porosité capillaire mesurée à la fm de l'essai de retrait endogène. L'influence de la teneur en sable et du rapport E/L sur l'évolution des variations volumiques endogènes des mortiers en fonction du temps (0 - 7 jours) a été également étudié en prenant en compte le degré d'hydratation du liant. Une technique expérimentale développée au département de génie civil de l'Université de Sherbrooke permettant de mesurer le retrait endogène volumique des pâtes de ciment et des mortiers a été employée. Elle permet de mesurer simultanément les retraits endogènes externe et interne. La mesure du retrait endogène volumique des pâtes de ciment et des mortiers est réalisée en milieu scellé et sous une température contrôlée. En milieu scellé et avant la prise du ciment, la variation de volume est causée par le retrait chimique qui n'engendre qu'un retrait endogène externe relativement inoffensif du point de vue de la fissuration. Après la prise, la variation de volume comprend un retrait endogène externe et un retrait endogène interne. Le retrait endogène externe est causé par l'effet simultané du retrait chimique et de la dépression capillaire. Le retrait endogène interne correspond au volume total des vides gazeux formés dans la phase liquide contenue dans la porosité capillaire. Cette recherche a aussi permis d'étudier l'influence de la structure de la porosité capillaire sur le développement du retrait endogène externe. Selon la loi de Laplace, la dépression capillaire augmente avec la diminution du rayon de pore. On a tenté donc de vérifier expérimentalement la relation entre le retrait endogène externe après prise et le rayon des ménisques. Le rayon des ménisques a été déterminé à partir du retrait endogène interne et de la courbe de porosité cumulative. Il correspond au rayon maximal des pores dans lesquels se trouvent les ménisques à la fin de l'essai de retrait endogène. Cette recherche a permis, pour la première fois, de quantifier précisément la composante interne du retrait endogène de matrices cimentaires. L'approche expérimentale a permis de mesurer, en cours d'hydratation, le volume des vides gazeux dans la porosité capillaire. Cette information permet ensuite de déterminer le rayon des ménisques à l'interface des phases gazeuse et liquide dans la porosité capillaire. Selon les résultats de cette recherche le rapport E/L a un effet majeur sur le développement du retrait endogène en raison de son influence sur la structure de la porosité capillaire. La fumée de silice diminue le retrait chimique de la pâte de ciment, alors qu'elle augmente le retrait endogène externe en diminuant le rayon critique des pores. Ce raffinement de la porosité capillaire diminue le rayon des ménisques, augmente la dépression capillaire et, par conséquent, le retrait endogène. Les liants avec laitier produisent un retrait chimique plus important que le ciment Portland. Ils raffinent la porosité capillaire, ce qui augmente le retrait endogène. Les liants avec cendres volantes ont un retrait chimique plus faible que celle du ciment Portland pur car la cendre volante s'hydrate très peu au jeune âge. Les liants avec cendres volantes produisent, au jeune âge, un réseau de pores capillaire plus grossier, ce qui cause un retrait endogène moins important. Une relation unique et linéaire a été établie entre le retrait endogène externe après la prise et l'inverse du rayon du ménisque. Cette relation peut être utilisée pour comprendre l'influence des paramètres de formulation (E/L, type et dosage du liant) sur l'intensité du retrait endogène externe.

L'utilisation de bétons à base de ciment Portland en association avec de l'argile dans un site de stockage en profondeur de déchets radioactifs se heurterait à deux difficultés. La forte alcalinité du matériau cimentaire dégraderait les propriétés imperméables de l'argile. De plus, l'importante augmentation de température induite par l'hydratation du ciment dans un ouvrage massif pourrait provoquer des microfissures nuisibles à la durabilité du matériau. Des recherches ont donc été engagées pour mettre au point un béton permettant de pallier ces deux principaux écueils. L'objectif est d'obtenir un béton satisfaisant aux contraintes suivantes : pH de la solution interstitielle du matériau hydraté inférieur à 11 afin de limiter l'attaque alcaline de l'argile (d'où l'appellation de béton « bas pH »), échauffement inférieur à 20 °C au cours de l'hydratation, retrait modéré, performances mécaniques élevées (résistance à la compression supérieure à 70 MPa).<br />Plusieurs liants incorporant du ciment Portland, de la fumée de silice, des cendres volantes et / ou du laitier sont comparés. Tous ces systèmes sont caractérisés par des teneurs en ajouts très importantes, la fraction de clinker n'étant comprise qu'entre 20 et 60 %.<br />Après un an d'hydratation, la solution interstitielle des pâtes de liants bas pH présente des pH compris entre 11,7 et 12,2 selon la formulation, réduit de plus d'une unité par rapport aux témoins à base de CEM I ou CEM V. Cette chute de pH (comparé à celui d'un CEM I (13,5)) est concomitante i) d'une forte réduction de la concentration en alcalins dans la solution porale, ii) de la disparition ou de la diminution de la teneur en portlandite dans les matériaux, iii) et de l'enrichissement en silice des C-S-H.<br />Ces liants ont été utilisés avec succès pour mettre au point des bétons bas pH haute performance (pH de la solution interstitielle compris entre 10,7 et 11,6 selon les liants) avec les outils classiques du génie civil.<br />Enfin, des études de lixiviation en eau désionisée montrent que les pâtes de liants bas pH se décalcifient environ 4 fois moins vite que celle à base de ciment Portland. Les évolutions minéralogiques et les flux lixiviés par l'eau pure (pH 7) à 25 °C ont pu être modélisés à l'aide du code HYTEC en associant deux modules de réactivité chimique et de transport par diffusion.

L'objet des travaux réalisés dans cette thèse concerne la mise en oeuvre d'un éco-liant à base de co-produits industriels : une cendre volante papetière et un laitier moulu, pour la fabrication de mortiers secs. Cet éco-liant a été élaboré pour remplacer partiellement le ciment comme constituant de matériaux traditionnels d'une part, et recycler en grande quantité l'un des deux déchets industriels, la cendre volante papetière tout en intégrant les notions d'économie circulaire et d'éco-conception d'autre part. La littérature fait état de nombreux travaux sur les différents types de cendres et de laitiers mettant en avant les caractéristiques, la minéralogie, la réactivité de ces cendres volantes papetières et des laitiers moulus. Ces deux coproduits avec environ 20% de SiO2 et 50% de CaO (% pondéraux), ont une composition chimique très proche de celle d'un ciment et développent des propriétés pouzzolaniques qui peuvent suppléer celles du ciment. Leur valorisation comme matériau liant est alors envisageable. Une complète connaissance des propriétés physico-chimiques, structurelles et minéralogiques de la cendre volante papetière et du laitier moulu a conduit à une étude exploratoire de formulations. Des mélanges à partir de 72% de cendres volantes papetières et de 28% de laitier moulu ont été étudiés en se référantà la formulation de base d'un mortier pour en optimiser la teneur en eau et le niveau d'énergie de compactage. Un matériel spécifique pour compacter les éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16cm3 de mortier a été utilisé. L'effet de l'ajout de trois types d'activateurs i.e. chlorure de calciumCaCl2, métasilicate de sodium Na2O3Si et carbonate de sodium Na2CO3, et d'une faible quantité deciment i.e. 5% et 10% a été analysé mettant en relation la résistance mécanique et la microstructure desmélanges. Deux formulations optimales ont fait l'objet d'analyses relatives à la minéralogie, auxrésistances mécaniques à 2, 7 et 28 jours de cure, à la microstructure avec des images MEB,distributions des pores et à la durabilité. Compte-tenu des résultats satisfaisants obtenus, une approcheà l'échelle semi-industrielle de fabrication de blocs 15x15x15 cm3 à partir des deux formulationsretenues a été menée et discutée. Les premiers résultats montrent un grand intérêt pour la fabricationde pavés et de produits dérivés pour l'aménagement de zones piétonnes ou à circulation réduite. / The aim of this thesis is the development of an eco-binder based on industrial co-products : a wastepapery ash and a ground granulated blast-furnace slag, for the manufacture of dry mortars. On the one hand,this eco-binder was developed to replace partially cement as a constituent of traditional materials, andon the other hand to recycle in large quantities one of these two industrial wastes ; wastepaper fly ashwith considering all the notions of circular economy and eco-design. From literature, there are numerousand relevant research works on the different types of ash and slag, highlighting the characteristics, themineralogy, the reactivity of the wastepaper fly ash and ground granulated blast-furnace slags in details.These two co-products with about 20 wt.% SiO2 and 50 wt.% CaO have a chemical composition veryclose to that of a cement and develop pozzolanic properties that can replace those of cement. Theirvalorization as a binder material is then possible. A complete knowledge of the physicochemical, structuraland mineralogical properties of wastepaper fly ash and ground granulated blast-furnace slag led to anexploratory study of formulations for dry mortars. The mixtures containing 72 wt.% of wastepaper fly ashand 28 wt.% of ground granulated blast-furnace slag were investigated with reference to the formulationof a standard mortar to optimize the water content and compaction energy level. A specific equipment forcompacting prismatic specimens with dimensions 4x4x16 cm3 was used. The effect of adding three types ofactivators i.e. calcium chloride CaCl2, sodium metasilicate Na2O3Si and sodium carbonate Na2CO3, anda small amount of cement i.e. 5 wt.% and 10 wt.% was analyzed. The relation between mechanical strengthand the microstructure of the mixtures has been detailed and discussed. Two optimal formulations wereimplemented and, mineralogy, mechanical strength at 2, 7 and 28 days of curing, microstructure withSEM images, pore distributions and durability have been considered and analyzed. Taking into accountthe satisfactory results obtained, a semi-industrial approach to manufacture 15x15x15 cm3 blocks fromthe two selected formulations was conducted and discussed. The first results show a great interest in themanufacture of blocks of pavement and derived products for the construction of pedestrian or reducedtraffic areas.

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.