Une solution pour réduire l’impact environnemental du béton est de substituer une partie du ciment par des additions minérales, comme le laitier de hauts fourneaux. Néanmoins, cette substitution ne doit pas réduire les performances du matériau vis-à-vis de la carbonatation, l’un des principaux phénomènes de vieillissement des structures en béton armé. La carbonatation est une réaction chimique entre la matrice cimentaire et le dioxyde de carbone présent dans l’air. Cette réaction, en plus de former du carbonate de calcium, diminue le pH de la solution interstitielle rendant ainsi les armatures vulnérables à la corrosion. Les essais accélérés de carbonatation montrent, en laboratoire, une grande disparité de comportements entre matériaux cimentaires très faiblement poreux à hautes performances mécaniques et matériaux plus poreux en usage dans les ouvrages courants. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires, notamment ceux contenant du laitier de hauts-fourneaux. Nous avons procédé en découplant les phénomènes impliqués dans la carbonatation que sont la diffusion gazeuse, les réactions chimiques et les transferts hydriques (séchage). La première partie de ces travaux de thèse a nécessité le développement et la validation d’un dispositif de mesure expérimental du coefficient de diffusion du CO2. Ce dernier a permis une étude paramétrique sur pâtes mettant en évidence l’influence de la composition et de la carbonatation sur la diffusion. La seconde partie a porté sur l’étude des cinétiques de carbonatation de pâtes en fonction du degré de saturation, après une mise à l’équilibre hydrique sur une longue période. Ces cinétiques ont été étudiées, sur échantillons de faibles dimensions, au moyen d’un suivi des évolutions pondérales et d’analyses thermogravimétriques, pour l’identification des hydrates résiduels et des carbonates formés. Nous avons ainsi mis en évidence des différences de comportement des hydrates et des liants vis-à-vis de la carbonatation impliquant la microstructure du matériau. / One solution for reducing the environmental impact of concrete is to substitute a part of cement by mineral additions, such as granulated blast furnace slag. However, this substitution should not reduce the performances of concrete with respect to carbonation, one of the main ageing phenomena of reinforced concrete structures. Carbonation is a chemical reaction between the cement matrix and the carbon dioxide from the atmosphere. In addition to the formation of calcium carbonate, this reaction results in a pH reduction of the pore solution and a risk of corrosion. Laboratory accelerated tests show a wide disparity between the carbonation resistance of high mechanical performances concretes with low porosity and the resistance of more porous and more usual ones. The objective of this thesis is to better understand the phenomenon of carbonation of cementitious materials, including those containing blast furnace slags. This work was carried out by decoupling the phenomena involved in carbonation that are gaseous diffusion, chemical reactions and water transfers. First, an experimental device for measuring the CO2 diffusion coefficient was developed. After validation, the latter was used in a parametric study carried out on cement pastes showing the influence of composition and carbonation on the diffusion coefficient. The second part of the thesis work focused on studying the kinetics of carbonation of pastes with respect to the degree of water saturation. Prior to carbonation, the studied pastes were conserved during a long period at various RH to achieve hydric equilibrium. The carbonation kinetics of small size samples of pastes was studied by means of monitoring of weight changes and thermogravimetric analyzes for identification of residual hydrates and formed carbonates. We have thus shown differences in behavior of hydrates and binders during carbonation involving the material microstructure.

Dans ce travail nous avons étudié le problème du rapport signal à bruit (RSB) en IRM à très bas champ magnétique et exploré des applications potentielles en utilisant du gaz 3He hyperpolarisé. Nous avons comparé deux méthodes d'élargissement de bande passante sans perte de RSB : une contre-réaction et un couplage inductif de la détection. Nous avons mis en œuvre la contre-réaction, plus appropriée à très bas champ. Des mesures d'atténuation par diffusion dans un gaz d'3He en géométrie cylindrique ont été faites par échos multiples de spin ou de gradient dans une large gamme de conditions correspondant à la diffusion dans les voies aériennes des poumons. Un bas champ permet d'utiliser des faibles gradients sur des durées longues, sans influence de la susceptibilité des matériaux. Nos mesures fournissent un ensemble de données destiné à une comparaison directe avec des modèles théoriques et d'autres résultats publiés. Une nouvelle séquence (Slow Low Angle Shot, SLASH) est proposée pour l'imagerie de gaz à bas champ. Des séries d'images à 2D dans des fantômes montrent qu'elle offre une résolution d'image et un RSB meilleurs que pour une séquence FLASH. Par ailleurs, des cartes de diffusion apparente dans des poumons fixés de petit animal ont été obtenues à partir d'images 2D et 3D. Les résultats sont compatibles avec ceux des mesures globales de diffusion par échos de spin dans ces mêmes poumons, et sont similaires aux résultats in vivo publiés. Ces poumons fixés sont donc un fantôme commode et pertinent pour des études méthodologiques. Les mesures de diffusion en bas champ, insensibles aux effets de susceptibilité, ont été faites sur une large gamme de temps de diffusion.

Cette étude a pour but de documenter la relation qui existe entre les propriétés de transfert d’un matériau (répartition en taille de pores, porosité totale accessible à l’eau, saturation en eau), et son coefficient de diffusion. Pour cela, des matériaux ayant une porosité quasi-monomodale sont utilisés : verres Vycor® et géopolymères ; ainsi que des matériaux ayant une porosité complexe : pâtes de ciment CEM V. L’utilisation des verres Vycor® et des géopolymère permet de quantifier la diffusion gazeuse, en fonction de la saturation en eau, de matériaux ayant des pores de même dimension, ou du moins, de même ordre de grandeur. L’utilisation des pâtes de ciment permet quant à elle, de vérifier s’il est possible de décomposer le coefficient de diffusion d’un matériau dont la porosité est complexe, en un assemblage de coefficients de diffusion de matériaux dont la porosité est quasi-monomodale. Pour cela, on s’attachera à particulièrement à étudier l’impact de l’agencement du réseau poreux sur le coefficient de diffusion.Les travaux se décomposent en trois parties :• Etude des caractéristiques géométriques du réseau poreux des matériaux étudiés. Il sera utilisé la porosimétrie par intrusion de mercure, la porosimétrie à eau, des essais de sorption / désorption d’azote, et des essais de désorption d’eau.• Mesure expérimentale du coefficient de diffusion des matériaux, en fonction de leur humidité relative de stockage et de leur saturation en eau.• Modélisation du coefficient de diffusion des matériaux utilisés, et étude de l’impact de l’agencement de leur réseau poreux (tortuosité, connexion des pores entre eux) / This work documents the relationship that exists between the transfer properties of a material (pore size distribution, total porosity accessible to water, water saturation degree), and its diffusion coefficient. For this sake, materials having a quasi mono modal porosity are used: Vycor® glasses and geopolymers. We also use materials having a complex porosity: CEM V cement pastes. The use of Vycor® glasses and geopolymers allows quantifying the gas diffusion coefficient through materials having known pores size, as a function of their water saturation degree. The use of cement pastes allows checking if it is possible to decompose the diffusion coefficient of a complex porosity material, in an assembling of diffusion coefficients of quasi mono modal porosity materials. For this sake, the impact of pore network arrangement on the diffusion coefficient is studied in great details. This study is divided into three parts:• Measurement of the geometric characteristics of materials porous network by means of the mercury intrusion porosimetry, water porosimetry, isotherms of nitrogen sorption / desorption, and water desorption tests.• Measurement of the materials diffusion coefficient, as a function of their relative humidity storage, and their water saturation degree.• Modeling the diffusion coefficient of the materials, and study the impact of the pore network (tortuosity, pores connection)