L’objectif de ce travail de thèse consiste à la modélisation du comportement mécanique des matériaux cimentaires, tel que la pâte de ciment et le béton qui sont soumis à la carbonatation et à la lixiviation. Ces réactions chimiques entre le matériau cimentaire et le milieu agressif environnant entraînent des changements dans la microstructure du matériau et par conséquent sur le comportement mécanique et peut ainsi avoir un impact important sur la durabilité des structures. Pour la caractérisation du comportement mécanique de ces matériaux chimiquement influencés, deux approches différentes sont proposées dans cette thèse: l'approche macroscopique et microscopique. Dans la première partie, une approche macroscopique est utilisée. L'intérêt est d'utiliser un modèle élastoplastique classique pour voir l'influence de la carbonatation et la lixiviation sur les paramètres élastiques et plastiques. Ce modèle est par la suite couplé avec un modèle d’interface pour décrire le comportement mécanique et le processus de rupture des matériaux cimentaires, prenant en compte la localisation des déformations sur une bande de cisaillement. Dans la deuxième partie, en prenant avantage des modèles micro-macro, il est possible de lier explicitement l'évolution de la microstructure durant la dégradation au comportement mécanique du matériau. Deux à trois étapes d’homogénéisations basé sur la méthode sécante modifie sont nécessaires pour aboutir au critère macroscopique. Les capacités prédictives des modèles micro-macro proposés ont été démontrés a travers une large validation expérimentale. / The objective of this thesis is to model the mechanical behavior of cement based materials, such as cement paste and concrete, which are subject to carbonation and leaching. These chemical reactions between the cementitious material and the surrounding aggressive environment lead to changes in the material microstructure and consequently on the mechanical behavior, and can have a significant impact on the durability of structures. To characterize the mechanical behavior of these chemically influenced materials, two different approaches are proposed in this thesis: the macroscopic and microscopic approach. In the first part, a macroscopic approach is used. The interest is to use a classical elastoplastic model to see the effect of carbonation and lixiviation on the elastic and plastic parameters. This model is then coupled with an interface model to describe the mechanical behavior and the failure process of cementitious materials, taking into account the localization of deformations on a shear band. In the second part, by taking advantage of micro-macro models, it is possible to explicitly link the microstructure evolution during the degradation to the mechanical behavior of the material. Two or three homogenization steps based on the modified secant method are needed to reach the macroscopic criterion. The predictive capabilities of micro-macro models proposed here have been demonstrated through a wide experimental validation.

The rapid deterioration of the global environment forces people to increasingly take into consideration. Nowadays, concrete is the most extensively-used construction material in the world. Cement, the dominant material for manufacturing concrete, has been largely used in the past few decades. It has also been generally considered as an environmentally hazardous material, mainly due to CO2 emissions during the production process. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. Among these by-products, fly ash generated during combustion of coal has been successfully used in concrete for many years. Unlike traditional fly ash, a new type of ash may also be used. It is obtained by combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in a fluidized-bed system from Brompton Mill located near Sherbrooke, Canada. However, the properties and the applications of this new by-product are not well known. An investigation was carried out to characterize this new material and examine its performance as an alternative material in the production of concrete. Firstly, the chemical, physical, mineralogical, and morphological characteristics of WSA were analyzed and were compared with traditional ash. In addition, the rheological properties of pastes and mortars mixed with WSA were evaluated by tests such as the calorimeter, mini-slump, marsh cone, and compressive strength of mortar cubes. In addition, the optimum ratio of cement replaced by WSA was examined by the compressive strength of concrete at the age of 1, 7, 28 and 91 days. Herein, two different water-to-binder ratios are considered: 0.4 and 0.55. Finally, the comprehensive properties of WSA concrete applying to the optimum ratio was carried out in different aspects such as fresh, mechanical properties, volume-change, and durability.The results show that it is possible to use WSA as a new cementitious material in concrete. According to the experimental results, a high-range water-reducing agent was required, even at a higher water-to-binder ratio (WSA showed a high degree of water demand). It study also revealed that WSA concrete had low permeability, and resisted freezing and thawing compared to the control mixture. In addition, the high CaO content in WSA substantially increased the expansion of concrete, early in the process. This greatly compensated the autogenous shrinkage that was developed in concrete with a low water-to-binder ratio. However, WSA is not recommended for use in environments containing a high quantity of sulphate, because its higher lime phase may cause the damage to constructions.

Les bétons autoplaçants (BAP) représentent une nouvelle technologie révolutionnaire dans le domaine de la construction et du génie civil. L’emploi de ce type de béton innovant ne cesse de gagner du terrain et se généralise à diverses applications grâce à leurs multiples avantages techniques et socio-économiques. Cependant, la formulation des BAP est relativement complexe et coûteuse par rapport à un béton conventionnel vibré. Une forte teneur en liant et un dosage adéquat en adjuvants chimiques sont requis afin d’assurer les propriétés de fluidité, d’homogénéité et de stabilité de ces nouveaux bétons. Par ailleurs, l’utilisation du verre mixte au Québec génère beaucoup de déchets polluants et nuisibles à l’environnement. Dans ce contexte, il semblerait avantageux de recycler ce verre en remplacement partiel du ciment. Cela permet de diminuer le prix de revient du BAP, de limiter l’utilisation des ressources naturelles et d’atténuer la production de gaz à effet de serre. L’objectif principal de cette étude est le développement d’un BAP économique et écologique contenant la poudre de verre (PV) comme ajout cimentaire. L’effet de la PV sur la rhéologie des pâtes de ciment et sur les performances des BAP à l’état frais et durci est évalué. Tous les mélanges de pâtes et de BAP sont préparés avec un rapport E/L de 0,42. Différents pourcentages de remplacement du ciment par la PV, allant jusqu'à 40% en masse de liant total, sont étudiés dans des matrices binaires et ternaires. Dans le cas des systèmes ternaires, la fumée de silice est utilisée à 3% en masse de liant. D'autre part, la cendre volante classe F (CV) et le laitier de haut fourneau (L) sont utilisés à des fins de comparaison. Les résultats des essais montrent que la PV réduit la demande en superplastifiant en comparaison avec la CV et L. En outre l’utilisation de la PV n’affecte pas la viscosité plastique, mais diminue significativement le seuil de cisaillement des pâtes étudiées. D’autres parts, le remplacement partiel du ciment par la PV améliore l’ouvrabilité, la rhéologie et la stabilité des BAP binaires et ternaires sans l’emploi d’un agent de viscosité. Les propriétés mécaniques ainsi que la résistance à la pénétration des ions chlorures et la résistance au gel-dégel des BAP incorporant la PV sont comparables voir meilleures que celle du témoin dépendamment du pourcentage de remplacement. On peut dire qu’il est possible de produire un BAP incorporant la poudre de verre comme ajout cimentaire alternatif local dans une optique de développement durable.

La fissuration dans les matériaux cimentaires est un paramètre clé pour la durabilité des structures. L'impact des fissures sur la longévité est complexe du fait notamment de leur possible évolution durant la vie de l'ouvrage. L'autocicatrisation est un des mécanismes qui influent sur les changements de géométrie et de propriétés de transport dans les fissures. L'autocicatrisation se définit comme le rétablissement de certaines propriétés physiques et mécaniques des matériaux cimentaires placés dans un environnement favorable (température et humidité). Pour accélérer le processus naturel d'autocicatrisation et pour parvenir à cicatriser complètement des fissures larges (largeur d'ouverture > 200 µm), la biocicatrisation semble l'une des méthodes les plus prometteuses. Le principe repose sur le potentiel de certaines bactéries à promouvoir la formation de carbonate de calcium. Leur utilisation au sein du matériau permettrait le colmatage des fissures par la calcite, un produit compatible et durable. L'objectif principal de cette recherche est de mieux comprendre les mécanismes de la biocicatrisation des matériaux cimentaires pour accélérer la cinétique et maximiser l'efficacité du colmatage des fissures relativement importantes. L'approche de biocicatrisation étudiée consiste à imprégner les fissures à l'aide d'un milieu de culture (milieu précurseur) contenant une souche bactérienne adaptée. Ce travail de thèse comporte trois volets : les mécanismes abiotiques de cicatrisation de fissures de mortier, la croissance in vitro de souches bactériennes du genre Bacillus et la biocicatrisation des fissures de mortier. L'étude sur les mécanismes abiotiques porte plus spécifiquement sur l'autocicatrisation naturelle et sur l'influence des précurseurs (urée, lactate de calcium et gluconate de calcium) sur la cicatrisation. L'influence d'une carbonatation initiale des fissures est également évaluée. L'étude de la croissance des bactéries testées vise à sélectionner une souche bactérienne et un milieu de culture permettant de produire une quantité significative de CaCO3 et une croissance bactérienne optimale. L'étude de la biocicatrisation consiste à suivre la cinétique de biocicatrisation de mortiers fissurés préalablement carbonatées et à évaluer l'efficacité du colmatage apportée par ce traitement. Il ressort de ces recherches que le lactate et le gluconate de calcium confèrent une réduction de l'ouverture des fissures fraîches de 70 % et 60 % respectivement, résultant de la formation d'ettringite. Cet effet n'est pas observé sur des fissures pré-carbonatées. Les résultats obtenus sur des fissures pré-carbonatées montrent que le milieu à base de lactate de calcium, de nitrate de calcium et d'extrait de levure, en présence de Bacillus pseudofirmus confère au mortier une capacité de cicatrisation accrue pour des fissures de plus de 200 µm que les phénomènes abiotiques ne peuvent pas colmater. En effet, le taux apparent de cicatrisation obtenu est de plus de 70 % résultant de la formation d'une couche de cicatrisation de plus de 75 µm constituée de calcite mêlée à un biofilm.

Les objectifs de cette thèse sont de mieux comprendre le phénomène d’autocicatrisation naturelle et d’initier une démarche en vue de proposer des approches technologiques pratiques, fiables et peu couteuses qui permettront d’optimiser et de favoriser le potentiel d’autocicatrisation des bétons et des matériaux cimentaires en général. Les approches proposées consistent à introduire, dans les formulations des matériaux cimentaires, des réactifs internes latents qui permettront d’augmenter le potentiel d’autocicatrisation par différents mécanismes. Trois types de réactifs sont étudiés; des ajouts cimentaires riches en chaux libre, des ajouts granulés riches en ciment anhydre et/ou en chaux libre et des micro-granulats de verre riches en silice amorphe. L’ajout des ajouts cimentaire et des granulés visent à augmenter le potentiel d’autocicatrisation par carbonatation. L’ajout des micro-granulats de verre a pour objectif de créer, dans les fissures un gel silico-calcaire alcalin expansif. Il en ressort que l’augmentation de la teneur en portlandite de la matrice en ajoutant de réactifs riches en chaux libre augmente considérablement le potentiel d’autocicatrisation de fissures larges (>200 µm). L’ajout de granulés faiblement hydratés à base de ciment ou de ciment avec agent expansif à base de chaux libre confère aux mortiers une capacité de cicatrisation accrue. La formation de gel expansif dans les fissures suite à l’activation de la réaction alcali-silice des micro-granulats de verre ne confère pas à la matrice cimentaire un fort potentiel d’autocicatrisation entre 0 et 12 mois.

Les activités industrielles modernes (stockage de déchets nucléaires, puits géothermiques, centrales nucléaires, …) peuvent solliciter les matériaux cimentaires dans des conditions extrêmes, par exemple à des températures supérieures à 200 °C. Ce niveau de température va induire des phénomènes de déshydratation au sein de la pâte, impactant notamment les C-S-H, hydrate majoritaire à l'origine de la cohésion mécanique. L'effet de cette déshydratation sur les propriétés mécaniques et de transport a ainsi fait l'objet de ce travail de thèse. Afin d'appréhender ces effets, il convient de prendre en compte le caractère hétérogène, poreux et multi-échelle de ces matériaux. Pour cela, la micromécanique et les outils d'homogénéisation basés sur la solution d'Eshelby ont été utilisés. Par ailleurs, pour accompagner cette modélisation multi-échelle, des essais mécaniques basés sur la théorie des milieux poreux ont été menés. La mesure des modules de compressibilité, de la perméabilité et de la porosité sous confinement ont permis d'étudier les mécanismes de dégradation de ces matériaux lors de sollicitations thermiques jusqu'à 400°C / The modern industrial activities (storage of nuclear waste, geothermal wells, nuclear power plants, ...) can submit cementitious materials to some extreme conditions, for example at temperatures above 200 ° C. This level of temperature will induce phenomena of dehydration in the cement paste, particularly impacting the CSH hydrates which led to the mechanical cohesion. The effects of these temperatures on the mechanical and transport propertes have been the subject of this thesis.To understand these effects, we need to take into account the heterogeneous, porous, multi-scale aspects of these materials. To do this, micromechanics and homogenization tools based on the Eshelby problem's solution were used. Moreover, to support this multi-scale modeling, mechanical testing based on the theory of porous media were conducted. The measurements of modulus compressibility, permeability and porosity under confining pressure were used to investigate the mechanisms of degradation of these materials during thermal loads up to 400 ° C

L'objectif de ce travail est d'étudier les évolutions microstructurales des matériaux cimentaires au cours de l'hydratation et d'analyser les dégradations physico-chimiques de ces matériaux lorsqu'ils sont soumis au séchage. Ces évolutions sont caractérisées par les mesures de teneur en eau et de porosité qui sont des paramètres clés pour l'évaluation de la durabilité des matériaux. L'originalité du travail réside en l'utilisation de l'Imagerie par Résonance magnétique IRM. Nous présentons une synthèse bibliographique sur les matériaux cimentaires et sur l'IRM qui permet d'accéder à la densité protonique caractéristique de la teneur en eau et aux temps de relaxation qui donnent une information sur la distribution poreuse. Les résultats sont ensuite identifiés aux données obtenues par des techniques expérimentales du génie civil. Enfin deux problématiques inhérentes aux matériaux cimentaires qui sont l'analyse de l'hydratation et le couplage hydratation/séchage sont étudiées.

Les activités industrielles modernes (stockage de déchets nucléaires, puits géothermiques, centrales nucléaires, ...) peuvent solliciter les matériaux cimentaires dans des conditions extrêmes, par exemple à des températures supérieures à 200 °C. Ce niveau de température va induire des phénomènes de déshydratation au sein de la pâte, impactant notamment les C-S-H, hydrate majoritaire à l'origine de la cohésion mécanique. L'effet de cette déshydratation sur les propriétés mécaniques et de transport a ainsi fait l'objet de ce travail de thèse. Afin d'appréhender ces effets, il convient de prendre en compte le caractère hétérogène, poreux et multi-échelle de ces matériaux. Pour cela, la micromécanique et les outils d'homogénéisation basés sur la solution d'Eshelby ont été utilisés. Par ailleurs, pour accompagner cette modélisation multi-échelle, des essais mécaniques basés sur la théorie des milieux poreux ont été menés. La mesure des modules de compressibilité, de la perméabilité et de la porosité sous confinement ont permis d'étudier les mécanismes de dégradation de ces matériaux lors de sollicitations thermiques jusqu'à 400°C

Un des points les plus importants en génie civil concerne la durabilité des structures. Au cours de sa vie, une structure est confrontée à différentes situations environnementales, tels que différentes humidités relatives. Il est donc crucial de caractériser le comportement des matériaux tels que le retrait par rapport à ces changements. Certaines informations sont nécessaires afin de pouvoir prédire cela. Une des principales informations est l’isotherme de sorption-désorption. Obtenir l’isotherme expérimentalement est considéré comme une expérience coûteuse en temps. C’est pour cette raison que la modélisation numérique de l’isotherme porte un grand intérêt. Une hystérésis est également perceptible entre les courbes de sorption et de désorption. Ce phénomène est lié à la structure du réseau poreux et la présence des petits pores se trouvant enfermés derrière les grands pores (des pores de bouteille d’encre).Dans cette thèse, afin de modéliser un milieu poreux, une morphologie numérique de la géométrie du milieu poreux a été présentée par l’intermédiaire d’une excursion de champs aléatoires. Les paramètres du champ aléatoire sont basés sur les valeurs expérimentales. L’avantage de cette étude est de modéliser le réseau poreux sans aucune hypothèse sur la forme des pores. Une fois que les milieux poreux ont été reproduits, l’analyse morphologique doit être effectuée afin de modéliser les transferts d’eau. À la suite de la simulation de l’isotherme de sorption-désorption, la deuxième étape consiste à évaluer les déformations induites par la dessication et de trouver une estimation du retrait de dessiccation. / One of the most important issues in civil engineering about structures is their durability. A structure during his lifetime faces different environmental situations, like different relative humidities. Thus, it is crucial to characterize materials behavior like the shrinkage against these changes. Some information are needed to predict it. One of the principal information is the sorption-desorption isotherm. Obtaining isotherm experimentally is considered as a substantially time-consuming experience. Therefore, it is of interest to model the isotherm from a numerical point of view. A hysteresis is also noticeable between the curves of sorption and desorption. This phenomenon is related to the structure of the porous network and the presence of ink-bottle pores.In the present work, in order to model a porous media, a numerical morphology of the geometry of the porous media has been presented by means of a Random Field excursion. Random Field parameters are defined based on experimental values. The advantage of this study is to model the porous network without any assumption on the shape of pores. Once the porous media has been reproduced, the morphological analysis must be done in order to model water transfers. Following the simulation of sorption-desorption isotherm, the second step is to evaluate strains induced due to desiccation and to find an estimation of drying shrinkage.

De nos jours, le développement durable est devenu une nécessité dans l'ensemble des sphères d'activité de notre monde, et particulièrement dans le domaine du béton. En effet, le développement des sociétés passe inévitablement par l'augmentation des infrastructures; le béton est le matériau principalement utilisé et son empreinte environnementale considérable gagnerait à être diminuée. L'industrie et la recherche sont très actives à ce niveau et la science des bétons durables est en pleine expansion. Dans ce contexte, une piste de solution est l'utilisation de résidus industriels ou agricoles comme ajouts cimentaires, ce qui permet de remplacer partiellement le ciment très polluant, tout en produisant des bétons avec une meilleure durabilité. Les cendres d'écorce de riz (RHA) présentent ainsi un potentiel cimentaire similaire aux meilleurs ajouts cimentaires actuellement utilisés, mais les applications concrètes de ce nouveau matériau demeurent peu développées à ce jour. Le présent projet a donc été conçu afin d'illustrer le potentiel des RHA d'une part dans les pays industrialisés pour améliorer la durabilité des bétons hautes performances (BHP) et pour améliorer les propriétés à l'état frais des bétons autoplaçants (BAP); et d'autre part, dans les pays en développement pour démocratiser les bétons durables produits avec des technologies adaptées aux réalités locales. Une première phase réalisée avec des RHA de haute qualité (RHAI) a ainsi été consacrée aux applications en pays industrialisés. La caractérisation des RHAI a indiqué une composition de 90% de silice amorphe, des particules légèrement plus grossières que le ciment, et une microstructure très poreuse et absorbante. Afin de pallier à cette absorption d'eau, l'optimisation du type de superplastifiant a permis de déterminer que l'utilisation du Plastol 5000 ou de l'Adva 405 avec les RHAI favorise un équilibre optimal entre dispersion initiale, rétention d'affaissement et résistances mécaniques. L'optimisation du dosage en RHAI a démontré que 10 ou 15% en remplacement du ciment améliore significativement la durabilité, que les résistances mécaniques sont peu affectées par le dosage en RHAI, et que 20% (ou plus) de RHAI entraine des problèmes de maniabilité associés à une consistance rhéo-épaississante. Suite à ces optimisations, le bon potentiel des RHAI pour améliorer la durabilité des BHP a été déterminé en comparaison avec la fumée de silice (FS) et le métakaolin : le retrait endogène a été diminué par un effet de cure interne, les perméabilités aux chlorures ont été diminuées au même niveau que par la FS, et la résistance à l'écaillage a été améliorée possiblement par diminution du ressuage de surface. Finalement, l'augmentation de la viscosité par les RHAI a été utilisée avantageusement dans les BAP ou un dosage de 10% a permis d'éviter la ségrégation sans utiliser d'adjuvant modificateur de viscosité très couteux. Une deuxième phase a consisté à optimiser l'utilisation sur bétons de RHA produites avec un four à écorces de riz artisanal fabriqué selon un modèle actuellement utilisé au Burkina Faso (RHAG). Ces RHAG ont été broyées à la même granulométrie que les RHAI et des performances mécaniques similaires ont été obtenues. Une méthode de caractérisation simplifiée adaptée aux réalités du terrain a aussi été développée : elle permet d'optimiser le broyage en limitant les outils nécessaires à un tamis de 45 tm et à une balance. Un béton pour dalle a par la suite été développé à partir d'une recette typique de béton du Burkina Faso : ce béton avec RHAG a développé des résistances similaires à un contrôle, tout en permettant des économies de 23% sur le ciment. En conclusion, ce projet a réussi à illustrer le potentiel des RHA pour favoriser le développement durable dans différents types de bétons, dans différents contextes et avec des méthodes adaptées aux technologies disponibles. Suite à ce bref résumé, je vous invite fortement à poursuivre votre lecture pour en apprendre encore davantage.