Les performances des matériaux de construction à matrice cimentaire proviennent principalement du ciment hydraté. Grâce à l'expérimentation et à la modélisation ces matériaux ont pu être adaptés à certains environnements chimiquement agressifs. Nous proposons une nouvelle approche basée sur les transports réactifs, applicable à tout solution agressive externe. L'évolution des minéraux de la matrice cimentaire, par dissolutions ou précipitations, est mise en relation avec celle de la solution interstitielle, elle même reliée aux échanges ioniques avec l'extérieur. Les dégradations chimiques modifient la microstructure du matériau, qui est modélisée par des images digitalisées. Notre approche a été validée sur trois matériaux différents, dans trois environnements distincts. Un modèle mécanique aux éléments-finis, complémentaire, caractérise l'évolution du module de Young résiduel du matériau dégradé en utilisant la représentation digitalisée de la microstructure.

L'utilisation croissante de composites biosourcés dans des applications de plus en plus techniques pose le problème de la prédiction de leur vieillissement dans des conditions réelles d'utilisation. En effet l'environnement dans lequel ils évoluent, conjugue généralement des sollicitations de nature thermique, hydrique et mécanique. Le comportement complexe de chaque constituant (fibre et matrice, et même leur interface) et donc du matériau composite dans sa globalité vis-à-vis de ces dégradations restent mal connu.L'objectif de ce travail est d'apporter des éléments de réponse à cette problématique en étudiant, de manière extit{ex situ} et extit{in situ}, le comportement de biocomposites poly(acide lactique) renforcés de fibre de lin soumis à un vieillissement couplé thermo-hydro-mécanique. Pour différents taux de renfort, l'influence de la présence d'eau à différentes températures couplée ou non à des contraintes de fluage a été évaluée.Dans un premier temps, la caractérisation de ces biocomposites dans un environnement thermo-hydrique a permis d'identifier les phénomènes mis en jeu. Plusieurs propriétés physiques, chimiques, thermiques et mécaniques ont été déterminées au cours de la diffusion. Par la suite, les conséquences irréversibles des phénomènes de vieillissement sur ces propriétés ont été évaluées. Dans un troisième temps, l'introduction de sollicitations mécaniques comme facteur supplémentaire de vieillissement a permis d'apprécier les effets du couplage thermo-hydro-mécanique. Enfin un modèle de calcul par éléments finis a été mis au point afin de pouvoir simuler le comportement physique et mécanique des biocomposites dans un environnement thermo-hydrique donné.

Cette thèse vise à répondre à la thèse de Gray (2010, p.48), selon laquelle il est rare, voire quasiment impossible de trouver des comptabilités environnementales notamment dans la perspective de la durabilité forte, c'est-à-dire d'un développement qui respecte les seuils physiques environnementaux caractérisant le niveau minimum du capital naturel à conserver. Elle montre que, contrairement à la vision pessimiste de Gray, on trouve dans le domaine agricole des exemples de comptabilité qui sont de véritables comptabilités environnementales répondant aux enjeux de la durabilité forte. Cette thèse montre aussi que l'agriculture est bien en avance par rapport aux autres secteurs de l'économie dans ce domaine de la comptabilité verte et de la responsabilité sociale. Elle s'appuie sur une étude des cas concrète au sein de la Bergerie Nationale de Rambouillet (France) avec une comparaison à celle d'une exploitation russe, la SA de type fermé " Selskie zori ", et illustre ce que pourrait être une vraie pratique de comptabilité environnementale orientée vers une durabilité de type fort. Elle s'inscrit dans le prolongement de la recherche en comptabilité qui considère cette dernière comme une technique subjective dans le sens où elle est fonction d'un sujet qui a le pouvoir (Richard, 1980, 2012 ; Tinker et al., 1982 ; Cooper et Sherer, 1984 ; Tinker, 1984, 1985 ; Hopper et al., 1987 ; Cooper et al., 1989 ; Colasse, 1997, 2005, 2007 ; Christophe, 2000 ; Catchpowle et al., 2004 ; Antheaume et Christophe, 2005 ; Chiapello, 2012).

L'utilisation des ajouts cimentaires tel que, la fumée de silice, les cendres volantes et les laitiers est une activité courante au Canada en raison des conditions climatiques sévères. Au Québec, ces matériaux ne sont pas disponibles, ce qui implique leur transport sur des distances considérables. La poudre de verre est un matériau pouzzolanique fabriqué au Québec et présente ainsi l'avantage de remplacer partiellement ces matériaux cimentaires. Il est rapporté qu'un taux de remplacement partiel de 20% du ciment portland par la poudre de verre a des effets bénéfiques sur le développement des propriétés mécaniques et sur la durabilité du béton. Le taux d'incorporation optimal de la poudre de verre peut varier en fonction du rapport E/L, le dosage en liant et leur interaction. Il est difficile de déterminer l'effet de l'interaction entre lés paramètres de formulation sur les propriétés du béton par les méthodes conventionnelles. Alors, un plan factoriel composite à deux niveaux a été conçu pour déterminer l'effet des trois facteurs, ainsi que de leurs interactions sur les résistances en compression et la perméabilité aux ions chlore aux différents âges. Les facteurs modélisés dans ce plan factoriel sont; le rapport E/L, le taux d'incorporation de verre et le dosage en liant (kg/m [indice supérieur 3] ). Tous les modèles statistiques sont valides pour des rapports E/L entre 0,35 et 0,60, des pourcentages de la poudre de verre entre 10% et 40% et des dosages en liant entre 335 kg/m [indice supérieur 3] et 415 kg/m [indice supérieur 3]. Des mélanges de validation sont utilisés pour évaluer la fiabilité des modèles proposés. Le rapport entre les valeurs prédites et les valeurs mesurées se situe entre 0,83 et 1,15 ce qui indique une bonne fiabilité des modèles proposés. Le rapport E/L est le paramètre qui a le plus d'influence sur la résistance en compression à tous les âges et sur la perméabilité aux ions chlores à 28 jours. Par contre, le taux d'incorporation de la Poudre de verre a le plus d'influence sur la perméabilité aux ions chlore à 56, 91 et 180 jours grâce à la réactivité pouzzolanique de la poudre de verre. Des courbes iso-réponses sont établis pour comprendre l'évolution des propriétés du béton en fonction des différents paramètres de formulation. Elles montrent que l'incorporation de 20% de la poudre de verre aux bétons formulés avec un rapport E/L de 0,45 procure une perméabilité aux ions chlores inférieure à 1500 Coulombs à 56 jours. Cette valeur de perméabilité peut être obtenue à 56 jours en remplaçant 30% du ciment par la poudre de verre quelque soit le rapport E/L considéré. Une valeur de la résistance en compression à 28 jours de 35 MPa peut être obtenue en utilisant des bétons formulés avec un rapport E/L de 0,45 et incorporant 20% de poudre de verre. Cette valeur de la résistance à 28 jours peut être obtenue aussi avec des bétons formulés avec un rapport E/L de 0,42 et contenant 30% de poudre de verre. Des mélanges binaires et ternaires proportionnés avec un rapport E/L de 0,45 et incorporant de la poudre de verre affichent des bonnes propriétés mécaniques, ainsi que des bonnes caractéristiques de durabilité dans les milieux agressifs. Ces bétons développent des gains significatifs des propriétés mécaniques entre 28 et 91 jours. L'utilisation de la poudre de verre comme un ajout cimentaire alternatif présente une avenue très intéressante pour avoir des bétons durables et économiques.

Résumé: La valorisation des sédiments marins non-immergeable du Grand Port Maritime de Dunkerque comme un nouveau granulat présente une solution alternative dans le domaine de génie civil pour une meilleure gestion. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l’étude de valorisation de sédiment marin en technique routière (étude en laboratoire et in situ) et l’étude de durabilité de blocs béton à base de sédiment marins destinés à la protection des ouvrages portuaires. La première partie de la thèse fait l’objet de la valorisation des sédiments marins en technique routière. Cette partie est devisée en trois étapes : La première étape a été consacrée à une caractérisation physique, minéralogique et mécanique des sédiments dragués du GPMD afin de mieux connaître le comportement général des sédiments. La deuxième étape présente la méthodologie de valorisation des sédiments par la mise au point d’une formulation en laboratoire. Une étude du comportement mécanique et environnementale a été réalisée afin d’évaluer la durabilité du matériau. La dernière étape concerne la réalisation d’un ouvrage routier à l’échelle 1 à base de sédiment à Dunkerque. La phase de suivi in situ de l’aspect mécanique et environnemental de l’ouvrage est également traitée. La deuxième partie de la thèse fait l’objet d’une étude de durabilité de deux blocs en béton à base de sédiment marin. Cette partie est divisée en trois étapes. La première étape est consacrée à une caractérisation non destructive et destructive des deux bétons contenant 12,5% et 20% de sédiment associé à une caractérisation microstructurale. La concerne l’une étude de durabilité de ces bétons face au attaque sulfatique externe ; soumission aux cycles gel/dégel et à la réaction alcali-granulats afin d’évaluer l’effet de l’incorporation des sédiments dans les bétons et le comportement de ces derniers. Enfin, la troisième étape traite du volet impact environnemental par des essais de lixiviation sur les deux types de bétons. L’étude de durabilité des bétons à base de sédiment présentée dans cette partie peut servir de base à des futurs travaux visant à mieux comprendre l’impact d’incorporation de sédiment dans le béton (taux d’incorporation, porosité....) sur la résistance mécanique, ainsi que sur les mécanismes de dégradation. Ce travail a été réalisé en collaboration entre Mines de Douai et l’Université de Sherbrooke (Canada) avec le soutien Grand Port Maritime de Dunkerque et de la Région. Mots-clés : Sédiments marins, valorisation, technique routière, performance mécanique, évaluation environnementale, durabilité du béton à base de sédiment, contrôles destructifs et non destructifs||Abstract: The valorization of non-submersible marine sediments of the Grand Port Maritime de Dunkerque GPMD as a new aggregate presents alternative solutions in the field of civil engineering for a better management. The work of this thesis focus on the valorization study of marine sediment in road engineering (laboratory and in situ) and the study of the durability of concrete blocks made with marine sediment for the protection of harbour structures. The first part of valorization non-submeresible sediments in road engineering is divided into three steps: The first step was devoted to the physical, mechanical and mineralogical characteristics of these materials, as well as their chemical composition and environmental effects, in an attempt to characterize their behavior and their potential as material in road engineering. The second step presents an experimental methodology for the development of a road foundation made from dredged fine sediment, dredged sand, lime and hydraulic binder. The last step describes the construction of an experimental road and analyses the mechanical properties of cores drilled from the road and the results of deflection tests. An environmental assessment, based on leaching tests, was also performed. The second part of the thesis focuses on a durability study of two concrete blocks with two different percentages of sediment. This part is divided into three steps: In the first step, mechanical, physical and chemical characteristics of two types of concrete containing 12,5% and 20% of dredged marine sediments are presented and discussed. In the second step, we have examined the durability of these types of concrete with regards to alkali-aggregate reaction, sulphate attack and frezing and thawing cycles. The results of this study will serve in order to better understand the impact of the incorporation of sediments into the concrete (percentage of incorporation, porosity...) and the effect on the mechanical resistance and the degradation mechanisms. This study is the framework of collaborative research work between Mines de Douai and the University of Sherbrooke (Canada) with the support GPMD and the Region. Keywords: Dredged sédiments, Valorisation, environmental assessment, expérimental road construction, mechanical performance, durability of concrète made from marine sediment, destructive and non destructive testing

Le domaine de la réparation et de la réhabilitation des ouvrages en béton armé est en pleine évolution. En effet, la plupart des ouvrages en béton armé, en particulier les structures marines, ont plus de 40 ans et beaucoup d'entre eux nécessitent des travaux de maintenance et de réparation vu leur état de dégradation. La corrosion des armatures occupe le premier rang des dégradations causant ainsi des désordres dans le béton jusqu'à la ruine partielle de l'ouvrage. Le coût engendré par ces réparations représente de grands enjeux économiques pour les maitres d'ouvrages. D'après la norme européenne EN 1504, il existe de nombreuses méthodes de réparation pour les ouvrages en béton armé (" produit et système pour la protection et la réparation des structures en béton "). Parmi lesquelles figure la réparation par mortiers, méthode choisie dans le cadre de ce projet de thèse. L'objectif principal de ce travail est de réaliser une analyse performantielle sur des mortiers de réparation industriels et de proposer un meilleur choix quant à l'utilisation de ces matériaux dans un milieu marin. Huit mortiers de réparation disponibles dans l'industrie ont été sélectionnés pour cette étude. Dans un premier temps, la formulation de ces mortiers a été estimée par la recherche des proportions de leurs constituants. Dans un deuxième temps, la quantification de leurs indicateurs de durabilité a été réalisée. Dans un troisième temps, l'objectif a été de quantifier leurs performances par des essais expérimentaux de corrosion accélérée sur des éprouvettes de béton armé réparé par ces mortiers. La méthode utilisée est la Spectroscopie d'Impédance Electrochimique. Enfin, une simulation de la pénétration des ions chlorures dans les mortiers de réparation a été réalisée, moyennant un modèle développé au laboratoire qui se base sur l'équation de Nernst-Planck.

La production d'hydrogène et de dioxygène par électrolyse PEM (PEM " Proton Exchange Membrane ") de l'eau s'effectue grâce à la présence de métaux nobles dans les couches catalytiques: à la cathode, le platine supporté sur du carbone est généralement utilisé (les chargements en métaux nobles sont faibles de l'ordre de 0,5 mg/cm²) ; à l'anode, la production d'oxygène s'effectue à des potentiels élevés (> 1,6 V vs. ESH). Les oxydes de métaux nobles sont utilisés seuls dans la couche active anodique et servent à la fois de catalyseurs et de conducteurs électroniques. Comme ils sont parmi les métaux les plus denses, pour obtenir une continuité électrique de la couche anodique, les chargements doivent être très élevés, de l'ordre de 2-3 mg/cm².Cette thèse propose ainsi de développer de nouveaux matériaux supports stables électrochimiquement et bons conducteurs électroniques pour séparer les fonctions de catalyse et de conduction électronique. Pour cela, des assemblages membrane électrodes intégrant des particules de titane comme support de catalyseur anodique ont été préparés dans notre laboratoire. Testés en mono-cellule de 25 cm², leurs principales caractéristiques ont été déterminées par voltampérométrie cyclique, spectroscopie d'impédance et grâce à des courbes de polarisations à différentes températures. La comparaison des résultats obtenus entre ces anodes " innovantes " et celles à base de catalyseur seul a permis de mettre en évidence la présence d'un chargement anodique seuil de 0,5 mg/cm² en dessous duquel la présence d'un support de catalyseur est nécessaire pour assurer la percolation électrique. Grâce à l'utilisation de ce support de catalyseur bon marché, les chargements anodiques ont pu être réduits jusqu'à des valeurs aussi faibles que 0,1 mg/cm² IrO2, soit une réduction de dix fois au minimum par rapport aux taux généralement employés dans la littérature, tout en maintenant des performances identiques.

Les travaux de cette thèse ont porté sur la caractérisation multi-échelle du polyéthylène(PE) en vue d'évaluer l'impact du vieillissement thermo-oxydatif. Cette étude a apporté un premier élément de réponse quant à l'efficacité de quelques méthodes de dosage des hydroperoxydes. Les résultats obtenus ont révélé une différence des concentrations en hydroperoxydes titrées par iodométrie par rapport à celles titrées par SO2 et MDSC lors de la deuxième période c'est-à-dire lors de la décomposition des hydroperoxydes. Cette différence semble directement reliée à l'apparition de double liaison. Les méthodes de dosage par SO2 et MDSC semblent être plus fiables. A l'échelle macromoléculaire, la chute de la masse molaire en poids Mw jusqu'à une valeur asymptotique de deux traduit des phénomènes de coupures de chaînes liés. A l'échelle microstructurale, l'augmentation de Xc est liée aux phénomènes de recuit et de chimicristallisation responsables de la formation et de l'épaississement des lamelles secondaires respectivement. Lors de la seconde période, l'augmentation de Mw liée à la diminution de Xc est due à la réticulation qui est confirmée par l'apparition des doubles liaisons et l'observation d'un gel lors de la dissolution du PEhd. Ces phénomènes de réticulation ont lieu au sein de la phase amorphe mais également à l'interphase avec la phase cristalline / The work of this thesis focused on the multi-scale characterization of polyethylene (PE) to assess the impact of thermo-oxidative aging. This study provided a first answer about the effectiveness of some hydroperoxides titration. The results revealed a difference in hydroperoxides concentrations titrated by iodometry compared to SO2 and MDSC in the second period that correpond to the decomposition of hydroperoxides. This difference appears to be linked to the occurrence of double bond. Titration methods with SO2 and MDSC seem to be more reliable. On the macromolecular scale, the decrease of the molecular weight Mw up to an asymptotic value of two is related to the chain scission process. On the microstructural scale, the increase of Xc is linked to the annealing and the chimicristallisation process which are responsible of the formation and the thickening of secondary lamellae. During the second period, the increase of Mw is related to the decrease of Xc due to crosslinking, which is confirmed by the occurrence of the double bonds and the observation of a gel during the dissolution of HDPE. These crosslinking phenomenon takes place in the amorphous phase but also in the transition region

Le projet français de stockage des déchets nucléaires, géré par l’Andra, nécessite la récolte de données expérimentales sur la durabilité des bétons de référence. Dans cette étude, les sollicitations prises en compte sont les processus de désaturation/resaturation, la charge thermique et l’évolution mécanique. Ainsi l’analyse porte ainsi sur le couplage thermo-hydro-mécanique des bétons de référence de l’Andra, fabriqués à base de ciment CEM I et CEM V/A. L’état de saturation en eau et les retraits des matériaux, soumis à la dessiccation ou à la resaturation, sont conditionnés par les différentes conditions thermiques et hydriques imposées, ainsi que de leurs caractéristiques microstructurales. Par ailleurs, l’étude de l’évolution mécanique est approfondie à 20°C en fonction de l’état de saturation en eau. A court terme, différents essais ponctuels mettent en évidence un endommagement hydrique qui conditionne le comportement mécanique. A long terme, l’étude du fluage sous dessiccation révèle le couplage existant entre la durabilité, l’évolution mécanique des matériaux et la dessiccation / The French project of the storage of nuclear wastes, which is managed by the Andra, needs some experimental data on the durability of the concrete. Loadings which are taken into account are the desaturation/resaturation processes, the heat load and the mechanical evolution. Hence this study focuses on the coupling thermo-hydro-mechanical on concretes of the research program of Andra, made with CEM I and CEM V/A cement type. The water saturation degree and shrinkages of materials, which are subjected to desiccation or resaturation, are dependent on the imposed thermal and hydrous conditions and on their microstructural characteristics. Moreover the study of the mechanical evolution is gone further at 20°C in function of the water saturation degree. Different short-term tests highlight a hydrous damage, which determine the mechanical behaviour. The long-term study of desiccation creep shows the coupling between the durability, the mechanical evolution and the desiccation

Pour les structures de génie civil avec un rôle d'étanchéité lors d'un accident grave, la perméabilité structurelle est une question clé. Dans ce contexte, cette thèse porte sur la modélisation numérique du taux de fuite à travers une structure en béton fissurée. Deux approches hydromécaniques dans un cadre continu sont proposés, une entièrement continu et une autre qui nécessite une analyse semi-discrète. L'approche semi-discrète est basée sur une méthode permettant de trouver le chemin de la fissure. Une fois le chemin de la fissure est trouvé, l’ouverture de fissure peut être calculée le long de la surface de la fissure discrétisé par équivalence d’une discontinuité forte. La dernière étape consiste à prescrire la loi de Poiseuille modifié le long de la surface de la fissure pour estimer le taux de fuite tout en imposant un gradient de pression. L'approche entièrement continue peut être appliquée directement dans le sens où aucun suivi de la fissure n’est nécessaire. C’est une combinaison de la perméabilité des endommagements diffus et de la perméabilité de Poiseuille modifiée. Ici, la déformation principale positive est choisie pour conduire la perméabilité de Poiseuille modifiée. Les deux approches proposées sont validées sur une campagne expérimentale de disque béton sec chargé dans un essai de fendage où la perméabilité aux gaz est réalisée. La validation est effectuée sur le taux de fuite dans la direction longitudinale. Les résultats obtenus avec les approches proposées par rapport aux données expérimentales montrent une bonne estimation de la conductivité hydraulique. En outre, l'approche continue est appliquée pour estimer le taux de fuite à travers un élément en béton armé soumis à une charge de traction où la multi-fissuration en mode I se produit (essai tirant). La comparaison avec l'expérience est effectuée sur le taux de fuite dans la direction perpendiculaire à la charge appliquée. Celui-ci montre un bon accord entre les débits estimé et mesuré si le même nombre de fissures est obtenu par le modèle mécanique.Cette thèse porte aussi sur l'effet des chargements thermomécaniques et de fluage sur la conductivité hydraulique du béton. Un système de perméabilité est développé et construit au cours de cette thèse sur la base du programme expérimental. Une campagne expérimentale est effectuée pour étudier l'effet couplé du fluage thermique et / ou mécanique sur la perméabilité à l’air sec du béton. Les propriétés de transfert dans les directions longitudinale et radiale par rapport à l'axe de charge sont étudiées. L’anisotropie de la perméabilité induite par la charge appliquée est analysée. En outre, la détermination de la perméabilité structurelle le long de l'interface acier-béton à différentes charges de cisaillement est encore une question ouverte. Un programme expérimental est réalisé qui porte sur le comportement mécanique du béton armé soumis à un essai de type push-in, ainsi que sur l’analyse de la perméabilité le long de l'interface acier-béton à des niveaux de charge différents. Une première tentative pour simuler le test en utilisant l'approche continue proposée est effectuée.Cette thèse a été l’occasion de réaliser une nouvelle campagne expérimentale, de produire de résultats originaux, d’effectuer de la modélisation numérique et de confronter les 2 approches proposées pour valider les modèles afin de les appliquer à l’échelle structurelle. / For civil engineering structures with a tightness role during a severe accident, structural permeability is a key issue. In this context, this PhD deals with the numerical modelling of leakage rate through a cracked concrete structure. Two hydro-mechanical models in a continuous framework are proposed, a fully continuous one and another one that requires a semi-discrete analysis. The semi-discrete approach is based on a crack tracking method allowing to find the crack path. Once the crack path is found, the Crack Opening Displacement (COD) can be computed along the discretized crack surface by equivalence with strong discontinuity approach. The final step is to prescribe a modified Poiseuille’s law along the crack surface to estimate the leakage rate while imposing a pressure gradient. The fully continuous approach can be directly applied in a sense that no crack tracking is needed. It is a combination of permeability of diffuse damage and modified Poiseuille’s permeability. Herein, the positive principal strain is chosen to drive the modified Poiseuille’s permeability. The two proposed approaches are validated on an experimental campaign of dry concrete disk loaded in a splitting setup where gas permeability is performed. The validation is performed on the flow rate in the longitudinal direction. The results obtained with the proposed approaches compared to experimental data show a good estimation of the hydraulic conductivity. Furthermore, the fully continuous approach is applied to estimate the flow rate through a reinforced concrete element subjected to tensile loading where multi-cracking in Mode I occurs (tie-beam test). The comparison with the experiment is performed on the flow rate in the perpendicular direction to the applied loading. The latter shows a good agreement between the estimated flow rate and the measured one if the same number of cracks is obtained.This PhD deals as well with the effect of the delayed thermo-mechanical loadings on the hydraulic conductivity of concrete. A permeability system is developed and constructed during this PhD based on the experimental program. An experimental campaign is carried out to study the effect of thermal and/or mechanical creep on dry gas permeability of concrete. Permeabilities in longitudinal and radial directions with respect to load axis are addressed. The loading induced anisotropic permeability is analyzed. Furthermore, the determination of the structural permeability along the steel-concrete interface at different shear loadings is still an open issue. An experimental program is carried out which deals with the mechanical behavior of reinforced concrete subjected to a push-in test, as well as with a permeability analysis along the steel-concrete interface at different load levels. A first attempt to simulate the test using the proposed continuous approach is performed.This thesis was the occasion to conduct a new experimental campaign, to produce original results, to perform numerical modeling and to compare two proposed approaches to validate the models in order to apply them at the structural scale.