On s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établi / The present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage index

On s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établi / The present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage index

[EN] The test for determining the resonance frequencies has traditionally been used to investigate the mechanical integrity of concrete cores, to assess the conformity of concrete constituents in different accelerated durability tests, and to ascertain constitutive properties such as the elastic modulus and the damping factor. This nondestructive technique has been quite appealed for evaluation of mechanical properties in all kinds of durability tests. The damage evolution is commonly assessed from the reduction of dynamic modulus which is produced as a result of any cracking process. However, the mechanical behavior of concrete is intrinsically nonlinear and hysteretic. As a result of a hysteretic stress-strain behavior, the elastic modulus is a function of the strain. In dynamic tests, the nonlinearity of the material is manifested by a decrease of the resonance frequencies, which is inversely proportional to the excitation amplitude. This phenomenon is commonly referred as fast dynamic effect. Once the dynamic excitation ceases, the material undergoes a relaxation process whereby the elastic modulus is restored to that at rest. This phenomenon is termed as slow dynamics. These phenomena (fast and slow dynamics) find their origin in the internal friction of the material. Therefore, in cement-based materials, the presence of microcracks and interfaces between its constituents plays an important role in the material nonlinearity. In the context of the assessment of concrete durability, the damage evolution is based on the increase of hysteresis, as a result of any cracking process. In this thesis three different nondestructive techniques are investigated, which use impacts for exciting the resonant frequencies. The first technique consists in determining the resonance frequencies over a range of impact forces. The technique is termed Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). It consists in ascertaining the downward resonant frequency shift that the material undergoes upon increasing excitation amplitude. The second technique consists in investigating the nonlinear behavior by analyzing the signal corresponding to a single impact. This is, to determine the instantaneous frequency, amplitude and attenuation variations corresponding to a single impact event. This technique is termed as Nonlinear Resonant Acoustic Single Impact Spectroscopy (NSIRAS). Two techniques are proposed to extract the nonlinear behavior by analyzing the instantaneous frequency variations and attenuation over the signal ring down. The first technique consists in discretizing the frequency variation with time through a Short-Time Fourier Transform (STFT) based analysis. The second technique consists of a least-squares fit of the vibration signals to a model that considers the frequency and attenuation variations over time. The third technique used in this thesis can be used for on-site evaluation of structures. The technique is based on the Dynamic Acousto- Elastic Test (DAET). The variations of elastic modulus as derived through NIRAS and NSIRAS techniques provide an average behavior and do not allow derivation of the elastic modulus variations over one vibration cycle. Currently, DAET technique is the only one capable to investigate the entire range of nonlinear phenomena in the material. Moreover, unlike other DAET approaches, this study uses a continuous wave source as probe. The use of a continuous wave allows investigation of the relative variations of the elastic modulus, as produced by an impact. Moreover, the experimental configuration allows one-sided inspection. / [ES] El ensayo de determinación de las frecuencias de resonancia ha sido tradicionalmente empleado para determinar la integridad mecánica de testigos de hormigón, en la evaluación de la conformidad de mezclas de hormigón en diversos ensayos de durabilidad, y en la terminación de propiedades constitutivas como son el módulo elástico y el factor de amortiguamiento. Esta técnica no destructiva ha sido ampliamente apelada para la evaluación de las propiedades mecánicas en todo tipo de ensayos de durabilidad. La evolución del daño es comúnmente evaluada a partir de la reducción del módulo dinámico, producido como resultado de cualquier proceso de fisuración. Sin embargo, el comportamiento mecánico del hormigón es intrínsecamente no lineal y presenta histéresis. Como resultado de un comportamiento tensión-deformación con histéresis, el módulo elástico depende de la deformación. En ensayos dinámicos, la no linealidad del material se manifiesta por una disminución de las frecuencias de resonancia, la cual es inversamente proporcional a la amplitud de excitación. Este fenómeno es normalmente denominado como dinámica rápida. Una vez la excitación cesa, el material experimenta un proceso de relajación por el cual, el módulo elástico es restaurado a aquel en situación de reposo. Este fenómeno es denominado como dinámica lenta. Estos fenómenos ¿dinámicas rápida y lenta¿ encuentran su origen en la fricción interna del material. Por tanto, en materiales basados en cemento, la presencia de microfisuras y las interfaces entre sus constituyentes juegan un rol importante en la no linealidad mecánica del material. En el contexto de evaluación de la durabilidad del hormigón, la evolución del daño está basada en el incremento de histéresis, como resultado de cualquier proceso de fisuración. En esta tesis se investigan tres técnicas diferentes las cuales utilizan el impacto como medio de excitación de las frecuencias de resonancia. La primera técnica consiste en determinar las frecuencias de resonancia a diferentes energías de impacto. La técnica es denominada en inglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Ésta consiste en relacionar el detrimento que el material experimenta en sus frecuencias de resonancia, con el aumento de la amplitud de la excitación. La segunda técnica consiste en investigar el comportamiento no lineal mediante el análisis de la señal correspondiente a un solo impacto. Ésta consiste en determinar las propiedades instantáneas de frecuencia, atenuación y amplitud. Esta técnica se denomina, en inglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Se proponen dos técnicas de extracción del comportamiento no lineal mediante el análisis de las variaciones instantáneas de frecuencia y atenuación. La primera técnica consiste en la discretización de la variación de la frecuencia con el tiempo, mediante un análisis basado en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segunda técnica consiste en un ajuste por mínimos cuadrados de las señales de vibración a un modelo que considera las variaciones de frecuencia y atenuación con el tiempo. La tercera técnica empleada en esta tesis puede ser empleada para la evaluación de estructuras in situ. La técnica se trata de un ensayo acusto-elástico en régimen dinámico. En inglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Las variaciones del módulo elástico obtenidas mediante los métodos NIRAS y NSIRAS proporcionan un comportamiento promedio y no permiten derivar las variaciones del módulo elástico en un solo ciclo de vibración. Actualmente, la técnica DAET es la única que permite investigar todo el rango de fenómenos no lineales en el material. Por otra parte, a diferencia de otras técnicas DAET, en este estudio se emplea como contraste una onda continua. El uso de una onda continua permite investigar las variaciones relativas del módulo elástico, para una señal transito / [CA] L'assaig de determinació de les freqüències de ressonància ha sigut tradicionalment empleat per a determinar la integritat mecànica de testimonis de formigó, en l'avaluació de la conformitat de mescles de formigó en diversos assajos de durabilitat, i en la terminació de propietats constitutives com són el mòdul elàstic i el factor d'amortiment. Esta tècnica no destructiva ha sigut àmpliament apel·lada per a l'avaluació de les propietats mecàniques en tot tipus d'assajos de durabilitat. L'evolució del dany és comunament avaluada a partir de la reducció del mòdul dinàmic, produït com resultat de qualsevol procés de fisuración. No obstant això, el comportament mecànic del formigó és intrínsecament no lineal i presenta histèresi. Com resultat d'un comportament tensió-deformació amb histèresi, el mòdul elàstic depén de la deformació. En assajos dinàmics, la no linealitat del material es manifesta per una disminució de les freqüències de ressonància, la qual és inversament proporcional a l'amplitud d'excitació. Este fenomen és normalment denominat com a dinàmica ràpida. Una vegada l'excitació cessa, el material experimenta un procés de relaxació pel qual, el mòdul elàstic és restaurat a aquell en situació de repòs. Este fenomen és denominat com a dinàmica lenta. Estos fenòmens --dinámicas ràpida i lenta troben el seu origen en la fricció interna del material. Per tant, en materials basats en ciment, la presència de microfissures i les interfícies entre els seus constituents juguen un rol important en la no linealitat mecànica del material. En el context d'avaluació de la durabilitat del formigó, l'evolució del dany està basada en l'increment d'histèresi, com resultat de qualsevol procés de fisuración. En esta tesi s'investiguen tres tècniques diferents les quals utilitzen l'impacte com a mitjà d'excitació de les freqüències de ressonància. La primera tècnica consistix a determinar les freqüències de ressonància a diferents energies d'impacte. La tècnica és denominada en anglés: Nonlinear Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NIRAS). Esta consistix a relacionar el detriment que el material experimenta en les seues freqüències de ressonància, amb l'augment de l'amplitud de l'excitació. La segona tècnica consistix a investigar el comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi del senyal corresponent a un sol impacte. Esta consistix a determinar les propietats instantànies de freqüència, atenuació i amplitud. Esta tècnica es denomina, en anglés, Nonlinear Single Impact Resonant Acoustic Spectroscopy (NSIRAS). Es proposen dos tècniques d'extracció del comportament no lineal per mitjà de l'anàlisi de les variacions instantànies de freqüència i atenuació. La primera tècnica consistix en la discretización de la variació de la freqüència amb el temps, per mitjà d'una anàlisi basat en Short-Time Fourier Transform (STFT). La segona tècnica consistix en un ajust per mínims quadrats dels senyals de vibració a un model que considera les variacions de freqüència i atenuació amb el temps. La tercera tècnica empleada en esta tesi pot ser empleada per a l'avaluació d'estructures in situ. La tècnica es tracta d'un assaig acusto-elástico en règim dinàmic. En anglés Dynamic Acousto-Elastic Test (DAET). Les variacions del mòdul elàstic obtingudes per mitjà dels mètodes NIRAS i NSIRAS proporcionen un comportament mitjà i no permeten derivar les variacions del mòdul elàstic en un sol cicle de vibració. Actualment, la tècnica DAET és l'única que permet investigar tot el rang de fenòmens no lineals en el material. D'altra banda, a diferència d'altres tècniques DAET, en este estudi s'empra com contrast una ona contínua. L'ús d'una ona contínua permet investigar les variacions relatives del mòdul elàstic, per a un senyal transitori. A més, permet la inspecció d'elements per mitjà de l'accés per una sola cara. / Eiras Fernández, JN. (2016). Studies on nonlinear mechanical wave behavior to characterize cement based materials and its durability [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/71439 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales