It is estimated that concrete represents 5% of the anthropogenic CO2 emissions, mainly originating from the production of cement, the most essential component of concrete. The recent awareness to the environmental challenges facing our civilization has led the cement industry to consider substituting cement by mineral additions, by-products of existing industries. In this work, a combination of limestone filler and blast furnace slag is used to design an “eco-concrete”, defined as a concrete combining a massive decrease of the cement content as well as mechanical properties and potential durability equivalent to a normal strength concrete. This research reviews the main concrete mix design parameters and their importance when designing an eco-concrete, resulting in five compositions containing various amounts of water, limestone filler and slag. The independent and combined effects of these parameters are observed on the development of the main concrete properties through the use of specific experimental equipment. Continuous non-destructive methodologies to assess efficiently and accurately the properties of any cement-based materials are developed by combining adapted traditional measurements and ultrasonic testing. The question of the early age cracking risk of these concretes is introduced by studying the effect of temperature on the main concrete properties, and a unified model is proposed for taking its effect of the early age autogenous deformation. Finally, new experimental observations are made regarding the behaviour of concrete under fully restrained deformations. The proposed eco-concrete meets many of the requirements of a sustainable construction material. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les Essais Non Destructifs (END) par ultrasons permettent de caractériser le béton, sans le dégrader en raison de leurs liens avec ses propriétés mécaniques et sa composition. Cependant, les signaux mesurés résultant de diffusions successives et multiples des ondes sont complexes à analyser. Afin d’optimiser les techniques ultrasonores, il est nécessaire de mieux comprendre les interactions onde-matière dans ce type de milieu et de modéliser au mieux les phénomènes associés. Afin d’aller au-delà des limites des modèles analytiques d’homogénéisation, dans ce travail de thèse un modèle numérique bidimensionnel décrivant la propagation d’ondes ultrasonores dans un milieu hétérogène, adapté au béton, est construit dans le logiciel SPECFEM2D. Ce modèle est comparé à des modèles analytiques, et validé expérimentalement à l’aide d’un milieu synthétique à forte hétérogénéité en comparant les deux paramètres effectifs cohérents : vitesse de phase et atténuation. Il permet également de prendre en compte la viscoélasticité du mortier par l’intermédiaire d’un facteur de qualité. Celui-ci est déterminé à partir des mesures effectuées pour une série de mortiers étudiés.L’outil numérique complet peut être utilisé à plusieurs fins: d’une part, la réalisation d’études afin d’évaluer l’influence de certains paramètres sur la propagation d’onde (la forme et la distribution des granulats), et d’autre part, la simulation des configurations de mesure mises en œuvre sur structure afin de les optimiser en fonction des paramètres qui interviennent, en particulier la fréquence des ondes. Cette meilleure maîtrise des mesures permettra de conduire à terme à l’amélioration du diagnostic. / Ultrasonic non-destructive testing (NDT) is used to characterize concrete, without degrading it, because of its relationship to its mechanical properties and composition. However, the measured signals resulting from successive diffusions and thus from multiple scattering are therefore complex to analyze. In order to optimize ultrasonic techniques, it is thus necessary to better understand the wave-material interactions in this type of medium and to better model the associated phenomena. In order to go beyond the limits of analytical homogenization models, in this thesis a two-dimensional numerical model describing the propagation of ultrasonic waves in a heterogeneous medium, adapted to concrete, is built in the SPECFEM2D software package. This model is compared to analytical models, and validated experimentally using a synthetic medium with high heterogeneity by comparing the two effective parameters of coherent waves: phase velocity and attenuation. This numerical model also makes it possible to take into account the viscoelasticity of the mortar by means of a quality factor. This quality factor is determined from measurements made for a series of mortars that we study. The complete set of numerical tools developed in this work can be used for several purposes: firstly, to carry out studies to evaluate the influence of certain parameters on wave propagation (the shape and distribution of aggregates), and secondly, the simulation of the measurement configurations implemented for a structure in order to optimize them in terms of the parameters involved, in particular the wave frequency. This better control of the measures will ultimately lead to better diagnosis.

The purpose of the present research is to develop and apply an experi- mental technique for measuring the size of nanoparticles and nanodroplets in a flow environment. The developed non-intrusive, optical method is called Light Extinction Spectroscopy (LES) and it allows to determine the size of particles from measuring their light transmission spectrum on the Ultraviolet-Near-Infrared range. The most crucial part of the develop- ment work is to obtain a reliable data processing method, which is based on the regularized solution of an ill-conditioned inverse problem. The de- veloped method is first tested using synthetic data, which allows to deter- mine the measurement range and also the measurement errors caused by various sources. This is followed by performing laboratory experiments for validating the LES technique. Validation measurements using calibrated particles and a reference instrument shows that sizing errors are in the order of 5-10%. Afterwards, the technique is applied for characterizing the Brownian coagulation process of nanodroplets, where the growth rate of droplets is successfully measured and is found to agree with theoreti- cal expectations. Next, the LES technique is applied to coagulating solid particles, where the growth rate of these complex non-spherical objects is retrieved. Finally, a particle monolayer is deposited on an air-water inter- face and it is shown that the LES technique can retrieve the particle-water contact angle, which allows the characterization of nanoparticle wettabil- ity and the study of the related interesting physical phenomena. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La restauration du patrimoine bâti est une exigence pour assurer sa pérennité. Le site archéologique Volubilis au Maroc, classé patrimoine mondial de l’UNESCO depuis 1997, nécessite des travaux de restauration. L’objectif de cette thèse est de déterminer les causes de dégradation de ses pierres, et de proposer des mortiers pour la restauration de ses monuments. Dans un premier temps, une caractérisation multi-échelle a été réalisée sur les trois faciès de la calcarénite, la pierre la plus prépondérante du site. Elle a révélé que malgré la composition minéralogique similaire des trois faciès, ils présentent des propriétés hydriques, thermiques et mécaniques dissemblables et des durabilités contrastées vis-à-vis de la cristallisation de sel. Des essais non destructifs permettraient de distinguer les trois faciès en estimant leurs porosités et leurs coefficients de capillarité. Dans un second temps, une étude de diagnostic a révélé la présence l’halite et du gypse dans la majorité des pierres altérées par des détachements et des pertes de matière. Ces sels proviennent des mortiers avoisinants, utilisés pendant les interventions antérieures. De plus, l’altération des calcarénites non contaminées est vraisemblablement due à des contraintes thermiques. Dans la dernière partie, nous avons formulé des mortiers à base de chaux, du sable et de la poudre de brique à l’aide de la méthode des plans de mélanges. Cette démarche permettrait de déterminer des mortiers compatibles à la pierre calcarénite. / The restoration of the built heritage is mandatory to ensure its sustainability. The archaeological site of Volubilis in Morocco, registered on the UNESCO World Heritage list since December 1997, requires restoration works. The main objective of this thesis is to determine the causes of stones’ deterioration and to propose mortars for restoration of its monuments. Firstly, a multi-scales characterization study was carried out on the three facies of the calcarenite, the main building stone in the site. It showed that despite their similar mineralogical composition, the three facies have dissimilar hydric, thermal and mechanical properties and they are quite different in terms of durability against salt crystallization. Besides, non-destructive testing could be used to distinguish the three facies by estimating their porosities and their coefficients of capillarity. Secondly, a diagnosis study revealed the presence of halite and gypsum in most deteriorated stones affected by detachment and loss of material. These salts originated from neighboring mortars, used during the previous interventions. In addition, the deterioration of uncontaminated calcarenites is likely due to thermal stresses. In the last part, we formulated mortars using lime, sand and the brick dust using the mixtures method. This approach would determine compatible mortars to the stone calcarenite.

Dans le domaine de la construction, la détection automatisée et à distance de l’endommagementdes structures en béton est d’une importance capitale. En effet, lescontraintes économiques actuelles imposent une réduction des coûts de maintenancetandis que les impératifs en termes de sécurité et de qualité sont de plus en plus stricts.Dans le cadre de cette thèse, des transducteurs piézoélectriques intégrés sont utilisésafin de suivre en temps réel le comportement du béton. Ces transducteurs sont faitsde PZT, une céramique piézoélectrique particulièrement adaptée au suivi à l’aide d’ultrasonsde par ses faibles dimensions, son faible coût et la large bande de fréquenced’utilisation. Un système de monitoring ultrasonore à faible voltage et ultra rapide a étéentièrement conçu dans le cadre de cette thèse. Le système est basé sur des mesuresultrasonores bilatérales entre un émetteur et un récepteur. Le système d’acquisitiondes données développé permet d’atteindre jusqu’à 150 mesures par seconde et decalculer en temps réel un indice d’endommagement sur base des mesures effectuées.L’indice d’endommagement est basé sur la première partie de l’onde transmise (ondedirecte) plutôt que sur l’onde tardive. Le système a démontré qu’il est capable de détecterl’apparition de fissures dans le béton avant qu’elles ne soient visuellement apparenteset qu’il permet de suivre de suivre l’initiation de l’endommagement jusqu’à la rupturepour des mécanismes de fissuration très rapides, voire fragiles. Le fait d’intégrer lestransducteurs à l’intérieur de la structure permet potentiellement d’améliorer l’efficacitédes transducteurs ultrasonores à condition que les couches d’enrobage de l’élémentpiézoélectrique soient adéquatement choisis. Une partie importante du travail réaliséa été consacrée au développement d’une méthode innovante et fiable pour concevoirde nouveaux designs de transducteurs optimisés à la fois dans du béton frais ou durci.Nous avons choisi de tirer avantage du mode radial de vibration de disques piézoélectriquepeu coûteux au mode de vibration selon l’épaisseur. Ce dernier requiert en effetdes éléments plus épais ou des matériaux piézoélectriques composites plus coûteuxet dès lors peu appropriés à être intégré définitivement dans une structure en béton.Nous démontrons par ailleurs que les matériaux piézoélectriques composites à base dematériaux cimentaires qui sont abondamment étudiés semblent en réalité peu adaptés àêtre utilisés comme transducteurs ultrasonores, contrairement à des composites plusclassiques. Une attention particulière a été portée à comparer le fonctionnement destransducteurs externes et intégrés. Nous montrons par exemple que si les performancesdes transducteurs externes peuvent être améliorées sur base de la théorie d’adaptationde l’impédance acoustique, il en va tout autrement pour les transducteurs intégrés / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished