En los últimos años, el análisis numérico de problemas acoplados, como los procesos de degradación de materiales y estructuras relacionados con los efectos medioambientales, ha cobrado especial importancia en la comunidad científica de la mecánica del hormigón. Problemas de este tipo son por ejemplo el ataque químico, el efecto de altas temperaturas o la retracción por secado.Tradicionalmente, los análisis acoplados existentes en la literatura se han realizado a nivel macroscópico, considerando el material como un medio continuo y homogéneo. Sin embargo, es bien conocido que el origen de la degradación observada a nivel macroscópico, a menudo es debida a la interacción entre los áridos y el mortero, sobre todo cuando se dan cambios de volumen diferenciales entre los dos componentes. Esta es la razón por la que el análisis mesomecánico está emergiendo como una herramienta potente para estudios de materiales heterogéneos, aunque actualmente existen escasos modelos numéricos capaces de simular un problema acoplado a esta escala de observación.En esta tesis, la aplicabilidad del modelo meso-mecánico de elementos finitos, desarrollado en el seno del grupo de investigación durante los últimos quince años, se extiende al análisis de problemas acoplados higro-mecánicos y químico-mecánicos, con el fin de estudiar la retracción por secado y el ataque sulfático externo en muestras de hormigón. La generación numérica de mesogeometrías y mallas de elementos finitos con los áridos de mayor tamaño rodeados de la fase mortero se consigue mediante la teoría de Voronoï/Delaunay Adicionalmente, con el fin de simular las principales trayectorias de fisuración, se insertan a priori elementos junta de espesor nulo, equipados con una ley constitutiva basada en la mecánica de fractura no lineal, a lo largo de todos los contactos entre árido y matriz, y también en algunas líneas matriz-matriz.La aportación principal de esta tesis es, conjuntamente con la realización de análisis acoplados sobre una representación mesoestructural del material, la simulación no solo de la formación y propagación de fisuras, sino también la consideración explícita de la influencia de éstas en el proceso de difusión.Los cálculos numéricos se realizan mediante el uso de los códigos de elementos finitos DRAC y DRACFLOW, previamente desarrollados en el seno del grupo de investigación, y acoplados mediante una estrategia staggered. Las simula-ciones realizadas abarcan, entre otros aspectos, la evaluación del compor-tamiento acoplado, el ajuste de parámetros del modelo con resultados experimentales disponibles en la bibliografía, diferentes estudios del efecto de los áridos en la microfisuración inducida por el secado y las expansiones debidas al ataque sulfático, así como el efecto simultáneo de los procesos gobernados por difusión y cargas de origen mecánico. Los resultados obtenidos concuerdan con observaciones experimentales de la fisuración, el fenómeno de spalling y la evolución de las deformaciones, y muestran la capacidad del modelo para ser utilizado en el estudio de problemas acoplados en los que la naturaleza heterogénea y cuasi-frágil del material tiene un papel predominante.

Les bétons autoplaçants (BAP) se distinguent des bétons ordinaires (BO) ou vibrés, par leurs propriétés à l’état frais. Ils sont capables de s’écouler sous leur propre poids, quelque soit le confinement du milieu, et restent homogènes au cours de l’écoulement. Pour parvenir à ce cahier de charge, les BAP sont formulés différemment des BO. En général, ils possèdent un même dosage en ciment et en eau que les BO ainsi qu’un volume de sable assez proche. L’apport de la pâte (ciment + eau + adition) est privilégié au détriment des gravillons. L’objectif du travail de recherche présenté dans cette thèse porte sur l’effet de l’attaque sulfatique externe sur les bétons autoplaçants. Pour cela quatre types de bétons autoplaçants à base de ciments, de granulats concassés et d’adjuvants ont été confectionnés. Chaque béton a subit quatre protocoles différents d’attaque sulfatique externe à savoir l’immersion totale, l’immersion-séchage à 105°C, l’immersion-séchage à 60°C et l’exposition des éprouvettes à un brouillard salin. Ces ambiances visent à reproduire de manière accélérée les différentes sources de pollutions capables de générer des attaques sulfatiques externes. A terme de six mois d’exposition des échantillons en béton et en mortier, il a été possible de dresser les principales conclusions reposant sur des études macroscopiques et microscopiques des échantillons testés. Trois comportements différents des bétons ont pu êtres distingués : bétons résistent à l’attaque sulfatique externe, bétons endommagés suite à cette attaque et bétons endommagés par la précipitation des sels et non par une réaction sulfatique externe. En conclusion, cette recherche a permis d’identifier les protocoles accélérés les plus adaptés aux études de la durabilité des bétons et de classer les bétons autoplaçants confectionnés avec des granulats concassés selon leurs résistants aux attaques sulfatiques externes (pollutions industrielles ou construction sur des sols gypseux). / The aim of the presented research in this thesis focuses on the effect of external sulfate attack on the durability of self-compacting concrete. For that, four types of concretes based on Aigerian cement, crushed aggregates and plasticizers have been made. Each type of concrete has undergone four different protocols of external sulfate attack which are the total immersion, the immersion 1drying at 105 CC, the immersion 1drying at 60 CC and the exposure of specimens to a salt spray. These environments are designed to reproduce the different accelerated sources of pollution that can generate external sulfate attack. A term of six months of exposure of the samples in concrete and mortar, it was possible to draw the main conclusions based on macroscopic and microscopie studies of the sam pies tested. Three different behaviors of concrete have been distinguished: concrete resistant to external sulfate attack, concrete damaged after tis attack and concrete damaged by salt precipitation and not by external sulfate reaction.

L’attaque sulfatique externe est un processus de dégradation au cours duquel les propriétés mécaniques et la composition chimique d’un matériau cimentaire vont être fortement affectées par la pénétration de sulfates en solution. La réponse à ce problème repose en partie sur la maîtrise de la composition des ciments. A ce titre, la capacité d’un ciment CEM I à former de l’ettringite lors de l’ASE et donc, par extension, d’être considéré comme résistant ou pas face aux sulfates, peut être évaluée par la formule de Sadran qui prend en compte les taux du C3A et C3S. Nous avons mis en place une méthode de caractérisation pour analyser le comportement de ciments CEM I de différents indices de Sadran. L’analyse s’appuie sur une méthodologie permettant une caractérisation globale de la dégradation. La teneur en C3A plus que l’indice de Sadran détermine le type de dégradation d’un ciment. La méthode de suivi et d’analyse utilisée sur les CEM I a été appliquée pour l’étude de ciments composés CEM V afin de comparer leur comportement avec celui de ciments résistants aux sulfates. Un essai incluant un pré conditionnement thermique, pour l’accélération de la dégradation, a été choisi et les résultats obtenus ont été comparés à ceux de l’essai développé précédemment au GeM. Il a été démontré que le pré conditionnement thermique ne permet pas une accélération significative de la dégradation. De plus, le séchage mis en place modifie la microstructure des échantillons de mortiers CEM V ; il ralentit la progression des sulfates et donc allonge le temps de réponse. L’adsorption des sulfates par les C-S-H fait l’objet de la dernière partie de cette thèse, tout en ouvrant sur des perspectives. / During external sulphate attack the mechanical properties and the chemical composition of a cementitious material are strongly affected by the penetration of sulphate in solution. The answer to this problem lies partly in the control of the composition of the cements. The ability of CEM I cements to form ettringite during external sulfate attack and therefore to be considered resistant, or not, to sulphates, can be evaluated by the formula of Sadran which considers the rates of C3A and C3S. We set up a characterization method to analyze the behavior of CEM I cements with different Sadran indexes. Two degradation mechanisms were observed, marked by either expansive phase precipitation or leaching. The monitoring and analysis method used on the CEM I cements has been applied to the study of CEM V blended cements in order to compare their behavior with that of sulphate resistant cements. A test including a thermal pre-conditioning was chosen and the results obtained were compared with those of the test previously developed at GeM. It has been shown that thermal pre-conditioning does not allow a significant acceleration of degradation. The adsorption of sulphates by C-S-H, as well as the loss of calcium, is the subject of the last part of this thesis, while opening up perspectives. The first results showed that sulphate fixation by C-S-H increases with the concentration of the sulphate solution.

Ce travail de recherche a pour but d’étudier des matériaux cimentaires soumis à des attaques sulfatiques selon trois différentes conditions : attaques sulfatiques externes (ASE), formation différée d’ettringite communément appelée attaque sulfatique interne et l’effect couplé des deux réactions, ainsi que de proposer un mécanisme uniforme pour les dégradations causées par ces réactions. En se basant sur le mécanisme proposé, un model poro-mécanique est proposé pour simuler l’expansion induite par les produits expansifs néoformés pendant la dégradation. Cette étude inclut trois parties : dans la première partie, les dégradations des éprouvettes de pâte de ciment correspondant à deux types de ciments (CEM I et CEM III) et deux dimensions exposées à trois différents types d’attaques sulfatiques (ASE, ASI, et le couplage des deux réactions), sont étudiés et comparés : variations de longueur, de masse, ainsi que des observations visuelles. Les éprouvettes exposées au couplage ASE-ASI montrent la cinétique d’expansion la plus rapide et le degré de dégradation le plus important, comparé aux autres cas. Ensuite, la structure poreuse des pâtes de ciment avant et après les attaques sulfatiques est caractérisée en utilisant différentes techniques : porosimétrie à mercure (MIP), sorption dynamique de vapeur (DVS), porosité accessible à l’eau ou essais de dissolution par traitement thermique. En comparant les variations de la distribution de la taille des pores des pâtes de ciment exposées à différentes conditions, les cristaux néoformés se trouvent précipités à la fois dans les pores capillaires et les pores des C-S-H. En plus de l’évolution de la distribution de la taille des pores pendant l’ASI, un mécanisme de dégradation est proposé : les cristaux néoformés (l’ettringite) sont précipités dans les grands pores, sans provoquer une expansion manifeste, et ils sont ensuite précipités dans les pores capillaires et les pores des C-S-H, ce qui induit un gonflement. Par ailleurs, le volume des pores occupé par les produits de l’ASI sont libérés après des essais de dissolution par traitement thermique, ce qui confirme la formation de produits d’expansion dans cette gamme de pores. Enfin, en se basant sur les résultats expérimentaux montrant que l’ettringite se forme en allant des grands pores vers les plus petits, un model poro-mécanique est proposé pour simuler l’expansion des matériaux cimentaires soumis à des attaques sulfatiques. Le modèle est basé sur la croissance contrôlée en surface et les propriétés physicochimiques pour l’ASE et l’ASI, malgré les différences entre ces deux réactions. Deux constantes indépendantes : ai et ap sont proposées pour représenter la cinétique de l’invasion des cristaux et la déformation. De plus, le modèle peut être couplé avec toutes les théories mécaniques, par exemple : l’élasticité, la plasticité, la théorie de l’endommagement ou autres. Le modèle illustre bien le processus de cristallisation et il prédit l’expansion correspondante à la fois à l’ASE et l’ASI / This work aims to study cement-based materials subjected to sulfate attacks in three different conditions: External Sulfate Attack (ESA), Delayed Ettringite Formation (DEF) and the Coupling effect of both, and to propose the same damage mechanism for all of them. Based on the proposed mechanism, a poromechanical model is established to simulate the expansion induced by expansive crystals during the degradation. The study includes the following three parts. In the first part, the degradation of cement paste specimens with two kinds of cement type (CEM I and CEM III) and two dimensions (2 2 12 cm3 and 11 11 22 cm3) exposed to three sulfate attack conditions (ESA, DEF, and Coupling effect) are studied and compared, including the length variation, mass variations, and observations. The specimens exposed to the coupling effect show the fastest kinetics and the most serious degree of degradation compared to the other cases. Then, the pore structure of cement pastes before and after sulfate attacks is characterized via different techniques: MIP, DVS, water accessible tests and heat-based dissolution tests. By comparing the variation of pore size distribution of cement pastes exposed to different conditions, the generated crystals are found to be precipitated both in capillary and gel pores. In addition to the evolution of pore size distribution during DEF, a damage mechanism is proposed: the generated crystals (ettringite) precipitate in the big pores without inducing an obvious expansion, and then penetrate into capillary and gel pores, which leads to a swelling. Moreover, the pore volume occupied by DEF induced products is released after heat-based dissolutiontests, which further confirms the formation of expansive products in that porerange. Finally, based on the experimental conclusion that ettringite forms through the large to small pores in all cases, a poromechanical model is proposed to simulate the expansion of cement-based materials submitted to sulfate attacks. The model is based on the surface-controlled growth and physicochemical properties both for ESA and DEF, despite the different source of sulfate ions. Two independent constants, ai and ap, are proposed to represent the kinetics of crystal invasion and deformation. Moreover, the model could be coupled with any mechanical theories, e.g. elasticity, plasticity, damage theory or any other. The model well illustrates the crystallization process and well predicts the corresponding expansion both in ESA and DEF