La fabrication du ciment, par sa phase de clinkérisation, est très énergivore et émet une quantité importante de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. En effet, la production d'une tonne de clinker génère environ une tonne de CO2. Afin de réduire ces émissions, une des alternatives est l'utilisation des additions minérales dans la confection des bétons en remplacement partiel du ciment. Cette substitution apparait comme une des solutions les plus efficaces permettant à la fois de diminuer l'énergie consommée et de réduire le dégagement de CO2 dans l'atmosphère. Cette étude s'inscrit dans un projet plus global de développement des bétons de bâtiment à matrices binaires (ciment + additions) s'appuyant sur des critères de propriétés de transfert. En effet, afin de répondre à certaines exigences de durabilité, une campagne expérimentale a été menée sur des bétons confectionnés selon la norme européenne NF EN 206 qui autorise deux méthodes de formulation : * l'approche dite prescriptive, qui porte sur des obligations de moyens, * l'approche dite performantielle, qui consiste à fixer des exigences en terme de performances basées sur des indicateurs généraux ou spécifiques de durabilité. Ce travail de recherche a donc consisté à comparer les propriétés physico-chimiques de bétons à forte teneur en addition minérale (filler calcaire, cendre volante, laitier de haut fourneau et métakaolin), dérogeant à l'approche prescriptive avec celles des bétons de référence répondant à cette même norme. Cette comparaison s'est effectuée au travers d'indicateurs de durabilité généraux (porosité accessible à l'eau, perméabilité à l'oxygène, coefficient de migration des ions chlorure et teneur en Ca(OH)2) et d'indicateurs spécifiques : la résistance à la carbonatation naturelle et accélérée. D'un point de vue méthodologique, les travaux réalisés dans le cadre de cette recherche ont montré l'intérêt de l'approche performantielle pour la formulation des bétons. Mais, à l'heure actuelle, les outils disponibles, c'est à dire les indicateurs généraux et spécifiques, ne sont pas suffisants pour répondre à l'ensemble des bétons couvrant ce texte normatif. A l'échelle du matériau (béton pour une application en bâtiment), les campagnes expérimentales menées ont montré que dans la majorité des cas, les bétons à forte teneur en addition minérale (dérogeant aux spécifications) présentent des comportements proches de ceux observés sur les bétons de référence (répondant à l'approche prescriptive). / The manufacturing of cement, by its clinkering process, is very energy-consuming and emits an important quantity of greenhouse gases in the atmosphere (1 ton of clinker produced 1 ton of CO2 released into the atmosphere). To maximize this latter from an environmental point of view, it is necessary to reduce the cement content. This can be done by replacing part of the cement with mineral additives during the manufacturing phase. This substitution seems one of the most effective solutions allowing, at the same time, to decrease the energy consumed and to reduce the release of CO2 into the atmosphere. This study is part of a more comprehensive development project of concrete building binary matrices (cement + mineral additives) based on transfer properties criteria. Indeed, in order to answer certain sustainability requirements, an experimental campaign was conducted on concrete, made according to the new European standard (EN 206) that allows two methods of formulation: * a traditional prescriptive approach, based on limiting values for the composition (minimum binder content, maximum water to binder ratio, compressive strength class...) of concrete exposed to some aggressive environmental conditions, * an innovative method based on a performance approach for concrete properties. The present work aims at studying the physico-chemical properties of cementitious materials with high substitution rates of cement by mineral additions (limestone filler, fly ash, slag, metakaolin) derogating from the prescriptive approach with reference to concrete corresponding to the same standard. This comparison was made with general durability indicators (water porosity, oxygen permeability, chloride migration coefficient and portlandite content) and specific durability indicators: carbonation in natural and accelerated conditions. From a methodological point of view, the research carried out in the framework of this project has shown the interest of the performance-based approach with regards to the concrete formulation. But at the moment, the available tools, namely the general and specific indicators, are not sufficient to respond to all these types of concrete. However, considering the performance, economic and environmental criteria, laboratory results showed that concrete made according to a performance-based approach had a performance close to reference concrete and the standard prescription could still be reassessed.

Dans le cadre du projet de recherche de l'IFSTTAR « Approche performantielle et probabiliste de la durée de vie des ouvrages en béton armé », la thèse porte sur la modélisation du transport couplé ions-humidité au travers de bétons éventuellement carbonatés. Une plate-forme de modélisation multi-espèces, qui est basée sur les indicateurs de durabilité et avec différents niveaux de sophistication, a été utilisée. En condition saturée, le transport des ions a été décrit par l'équation de Nernst-Plank et complété par des isothermes des interactions ions/matrice. En condition non saturée, l'advection des phases liquides et gazeuses a été décrite par la loi de Darcy généralisée. L'influence de l'activité chimique sur l'équilibre entre l'eau liquide et vapeur d'eau, ainsi que la cinétique de fixation des ions chlorure ont été prise en compte dans les modèles. La fixation des ions alcalins a été également prise en compte, son influence sur le transport des ions chlorure a été étudiée. Les indicateurs de durabilité (porosité, perméabilité intrinsèque à l'eau et aux gaz) servant comme données d'entrée des modèles ont été déterminés par des mesures directes sur des bétons à base de ciment ordinaire et avec des fortes teneurs en additions minérales (cendres volantes et laitiers). Une méthode d'analyse inverse a été mise en œuvre à partir d'une routine qui intègre un algorithme d'optimisation qui nous a permis de déterminer les propriétés des matériaux plus complexes (coefficient effectif de diffusion, paramètres d'isotherme de fixation et perméabilité intrinsèque à l'eau) à partir des résultats d'essais. Le modèle pour des conditions saturées a été validé par des comparaisons entre des profils de chlorure issus des essais de diffusion et des profils de simulation. Des essais de séchage-imbibition avec une solution saline ou de l'eau pure sur les bétons sains et éventuellement carbonatés ont été réalisés pour valider le modèle en condition non saturée, ainsi que pour mettre en évidence l'influence de la carbonatation sur le transport des ions et sur les transferts hydriques. Outre la compréhension des mécanismes physico-chimiques liés à la durabilité des bétons et détermination des indicateurs de durabilité par analyse inverse, la plate-forme nous permet de prédire le transport des ions et d'humidité suivant la complexité des phénomènes et le niveau de sophistication exigé. Les études menées ont mise en évidence la pertinence et la fiabilité de la plate-forme de modélisation physico-chimique / As a part of the IFSTTAR's research project « Performance-based and probabilistic approach to the life cycle of reinforced concrete structures », this thesis focuses on the modelling of coupled ion-moisture transport through concrete which is possibly carbonated. A multi-species modelling platform, based on durability indicators and with different levels of sophistication, was used. In saturated conditions, ion transport was described by the Nernst-Plank equation and complemented by ion-matrix interaction isotherms. In unsaturated conditions, the advection of liquid and gas was described by the extended Darcy law. The influence of the chemical activity on the equilibrium between liquid water and water vapor, as well as the kinetics of the chloride binding, were included. The binding of alkali was also taken into account and its influence on the chloride penetration was investigated. As input data of the models, conventional durability indicators (porosity, intrinsic permeability for liquid water and for gas) were determined by direct measurement on different concretes made of ordinary Portland cement and containing high contents of supplementary cementing materials (fly ash and slag). An inverse method was implemented thanks to a routine which incorporates an optimization algorithm, allowing us to determine some complex properties (such as effective diffusion coefficient, binding isotherm parameters and intrinsic permeability to liquid water) from experimental results. The model for saturated conditions was validated by comparing the simulation results to experimental profiles obtained from chloride diffusion tests. Wetting tests, with saline solution or pure water followed by drying experiments, on sound concrete and possibly carbonated ones were led to verify the model for unsaturated conditions, as well as to highlight the influence of carbonation on the ion and moisture transport.In addition to a further understanding on the physico-chemical mechanisms related to the durability of concrete and the identification of durability indicators by inverse analysis, the platform allowed us to predict the transport of ions and moisture according to the complexity of the involved phenomena and the required level of sophistication. The relevance and the reliability of the modeling platform for transport were proved by the studies carried out

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.

Cette thèse, menée dans le cadre d'une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) avec l'entreprise MENARD, est consacrée à l'étude de la durabilité d'un procédé particulier de renforcement de sol appelé Colonnes à Module Contrôlé (CMC). Cette application consiste en la mise en place d'un réseau d'inclusions verticales semi-rigides dans un sol afin d'améliorer les caractéristiques globales du terrain avant construction. Ces travaux font suite aux travaux de thèse de François Duplan (2011-2014) sur le développement de nouveaux composites cimentaires destinés à cette application. Dans ce but, il avait optimisé des compositions de mortiers incorporant des granulats spéciaux tels que des billes d'argile expansée ou des granulats en caoutchouc issus du broyage de pneus usagés. Les effets de l'introduction de ces granulats dans les composites ont été analysés aussi bien à l'état frais qu'à l'état durci et complètent les précédentes analyses de F. Duplan, notamment en termes d'indicateur de durabilité (perméabilité aux gaz, diffusion aux ions chlorures) et de comportement mécanique à long terme (retrait et fluage). A l'issue d'une analyse environnementale de l'application, trois mécanismes potentiels de dégradation ont été sélectionnés pour des investigations sur la durabilité des CMC : l'attaque acide, l'attaque sulfatique externe et la dégradation par cristallisation de sels. La réalisation d'essais accélérés en laboratoire a permis de mettre en évidence la pertinence du ciment CEM III/C, utilisé actuellement par MENARD, dans la majorité des cas. La faible teneur en C3A de ce liant permet en effet de limiter la production d'éléments expansifs dans le cas d'une attaque sulfatique externe et sa proportion limitée en hydrates du clinker (en particulier en portlandite) ainsi que le faible rapport C/S des C-S-H assurent une meilleure tenue aux attaques acides. La dégradation par remontée capillaire et cristallisation de sels dépendant avant tout des caractéristiques du réseau poreux et des conditions d'évaporation et beaucoup moins du type de ciment, l'utilisation du ciment CEM III/C présente moins d'intérêt. L'incorporation de granulats en caoutchouc ou de billes d'argile expansée dans les composites ne modifie qu'à la marge leur tenue aux mécanismes de dégradations testés. La majorité des phénomènes de dégradation de l'application étant liée à la pénétration d'agents agressifs au cœur des composites cimentaires, la prédiction des propriétés diffusives du matériau est essentielle dans l'estimation des risques encourus par l'application. Un nouveau modèle prédictif est proposé et comporte deux échelles d'homogénéisation : la première au niveau de la pâte de ciment et la deuxième au niveau du mortier. Les résultats obtenus par ce modèle sont fidèles aux résultats expérimentaux avec des erreurs relatives inférieures à 15%. L'estimation du coefficient de diffusion est globalement plus précise pour les composites incorporant des billes d'argile expansée que pour ceux incorporant des granulats en caoutchouc, une conséquence de la forme sphérique de ces billes mieux en accord avec les hypothèses du modèle mis en œuvre. / This CIFRE PhD-thesis carried out within the framework of Convention Industrielle de Formation par la REcherche (CIFRE) with the company MENARD, focuses on the durability of a specific soil-reinforcement system called Controlled Modulus Columns (CMC) which consists in a network of semi-rigid vertical inclusions cast into the ground in order to enhance its global characteristics before building. This study comes after the PhD work conducted by François Duplan (2011-2014) on the design of new cementitious composites intended for the CMC application and incorporating innovative aggregates like expanded clay grains or rubber aggregates obtained by grinding end-of-life tyres. The effects of addition of such aggregates into the composites have been studied both at fresh and hardened states and complete Duplan previous findings in particular with regards durability indicators (gas permeability, chloride diffusion) and mechanical long-term behaviour (creep and shrinkage). Three potential degradation mechanisms have been selected for the CMC system after an environmental analysis: acid attack, external sulphate attack and salt crystallisation. Laboratory accelerated tests highlighted that CEM III/C cement, actually used by MENARD, is suitable in most of the cases. The low C3A content of this binder reduces the production of expansive products in the case of external sulphate attack and its limited clinker hydrates proportions (in particular in portlandite), along with the low C/S ratio of the C-S-H enhance the resistance to acid attack. Salt crystallisation through capillary rise primarily depends on the porous network characteristics and less on the cement ones, meaning that CEM III/C cement is less relevant in that specific case. Based on the tested degradation mechanisms, incorporating rubber aggregates or expended clay ones into the cementitious composites does not significantly affect their durability. Most of the application degradation phenomenon being linked to the ingress of aggressive agents into the composites; the prediction of their diffusive properties is crucial to assess the risks involved for the application. A new predictive model is proposed with a dual homogenisation process: the first one at the cement paste level and the second one on the mortar level. Predicted results are in agreement with ones from experimental tests with a relative error less than 15%. Diffusion coefficient estimates are globally better for composites that contain expended clay aggregates than those incorporating rubber aggregates due to spherical shape of the first in accordance with the model hypotheses.