Ce projet porte sur l'étude d'un béton autoplaçant (BAP), qui fait partie des bétons à haute performance. Actuellement, le béton autoplaçant est très demandé dans le marché industriel suite à sa haute fluidité et principalement à sa grande déformabilité qui lui permet de se mettre en place sans aucune vibration sous l'effet de la pesanteur. Ceci a l'avantage de diminuer la main d'oeuvre ainsi que la nuisance sonore causée par la vibration comme dans le cas des bétons conventionnels. Sa bonne capacité de remplissage lui permet de se placer même dans une structure fortement ferraillée. Par contre, le coût unitaire d'un BAP est plus élevé que celui d'un béton conventionnel. Pour palier à cet inconvénient, on peut jouer sur l'optimisation et l'efficacité des composants du BAP, notamment le liant hydraulique, les ajouts cimentaires et les adjuvants chimiques (il s'agit généralement de dérivés cellulosiques, de polysaccharides ou d'amidon modifié). Ces produits, comme les fines, ont pour rôle d'empêcher le ressuage et de limiter les risques de ségrégation en rendant la pâte plus visqueuse. Mon sujet de recherche a consisté beaucoup plus en l'étude d'une comparaison du comportement et de la performance d'un BAP préparé avec différents couples d'agents viscosants-superplastifiants. Mon béton a été formulé de telle sorte que son écoulement rhéologique soit amélioré par l'utilisation de deux superplastifiants: un polynaphtalène et un polycarboxylate combinés à cinq agents viscosants. Les agents viscosants consistent en deux polysaccharides biopolymères à base de bio-gomme ayant pour caractéristiques d'être plus pseudo-plastiques, un polysaccharide anionique, un amidon modifié et le cinquième agent est un polymère dérivé cellulosique de type HPMC. Ces cinq agents viscosants joueront un rôle important dans l'ouvrabilité des BAP en lui conférant deux conditions satisfaisantes en regard de l'industrie du béton à savoir une densité maximale à l'état durci et une bonne maniabilité à l'état frais. Ces deux conditions vont faire de lui un béton très durable grâce à sa densité maximale tout en lui procurant une bonne résistance à court et long terme, ce béton sera aussi très fluide de telle sorte qu'il pourra être utilisé pour réhabiliter ou construire des ouvrages très complexes ou à accès très difficile pour la mise en place du béton. Cet objectif va s'étendre aussi à l'évaluation des effets que vont exercer ces agents viscosants sur le comportement du béton autoplaçant du point de vue maniabilité et propriétés mécaniques. Également, d'autres ajouts cimentaires ont été incorporés dans le béton à savoir le filler calcaire. et le laitier des hauts fourneaux. Ces derniers auront aussi une influence significative sur les propriétés rhéologiques du BAP telles que la stabilité et la résistance à la compression. En effet la garantie de la performance passe souvent par la possibilité de modifier légèrement certains paramètres de composition tels que les dosages en eau ou/et en adjuvant pour tenir compte de changements incontournables tels que l'ambiance climatique. Enfin, mon projet est la continuation d'autres travaux de recherche déjà entrepris dans le mime domaine, dans le béton deux types de fillers calcaires et d'autres ajouts cimentaires tels que (cendre volante, fumée de silice, laitiers de haut-fourneau).

Au cours des dernières décennies, les infrastructures canadiennes et québécoises comportent plusieurs structures en béton armé présentant des problèmes de durabilité dus aux conditions climatiques sévères, à la mauvaise conception des structures, à la qualité des matériaux, aux types des bétons choisis, aux systèmes de construction ou à l'existence d'événements incontrôlables. En ce qui concerne le choix du béton pour la construction des infrastructures, une vaste gamme de béton divisée en deux principaux types peut être utilisée: le béton conventionnel vibré (BCV) et le béton autoplaçant (BAP). Dans le cas d'un BCV, la consolidation inadéquate par vibration a été un problème récurrent, occasionnant des dommages structuraux. Ceci a conduit à une réduction de la durabilité et à une augmentation du coût d'entretien et de réparation des infrastructures. Rien que l'utilisation d'un BAP a des avantages tels que l'élimination de la vibration, la réduction des coûts de main d'oeuvre et l'amélioration de la qualité des structures, néanmoins, le coût initial d'un BAP par rapport à un BCV ne permet pas encore de généraliser son utilisation dans l'industrie de la construction. Ce mémoire présente la conception d'une nouvelle gamme de béton semi-autoplaçant pour la construction des infrastructures (BSAP-I) exigeant une vibration minimale. Il s'agit de trouver un équilibre optimal entre la rhéologie et le coût initial du nouveau béton pour conférer une bonne performance structurale et économique aux structures. Le programme expérimental établi a premièrement permis d'évaluer la faisabilité d'utilisation des BSAP-I pour la mise en place des piliers d'une infrastructure de pont à Sherbrooke. En plus, l'utilisation d'un plan d'expériences a permis l'évaluation de trois paramètres de formulation sur les propriétés des mélanges de BSAP-I à l'état frais et durci. Finalement, l'évaluation de la performance des BSAP-I optimisés à travers une caractérisation complète des propriétés mécaniques et de la durabilité a été réalisée. A la suite de cette étude, les résultats obtenus nous permettent de conclure que : (1) L'utilisation d'un BSAP-I avec un gros granulat de 5 - 14 mm, des rapports E/L = 0,37 et S/G = 0,52 et une teneur en air de 6 à 9% a été possible en conférant un équilibre optimal fluidité / stabilité à l'état frais, ainsi qu'un niveau de thixotropie adéquate au chantier permettant d'optimiser la conception du coffrage des piliers de pont et de conférer des qualités de surfaces très acceptables de ces infrastructures. (2) La méthode adaptée pour l'essai L-Box contenant 2 barres et une vibration de 5 secondes a permis de bien caractériser la capacité de remplissage d'un BSAP-I. (3) L'utilisation d'un plan factoriel 2[indice supérieur 3] a permis d'obtenir des modèles statistiques fiables, capables de prédire les propriétés rhéologiques à l'état frais et les résistances en compression des BSAP-I avec des dosages en liant entre 370 et 420 kg/m[indice supérieur 3] , des rapports E/L entre 0,34 et 0,40 et S/G entre 0,47 et 0,53. (4) Des mesures de vitesse d'écoulement T[indice inférieur 40] d'un BSAP-I sont très semblables à celles d'un BAP. En plus, des valeurs T[indice inférieur 40] montrent une bonne corrélation linéaire avec celles de Tîndice inférieur 400] mesurés dans la boîte L-Box. (5) À la frontière du BAP et du BCV, une bande rhéologique possédant un [?0] entre 30 et 320 Pa et un [éta] entre 10 et 140 Pa.s a été trouvée pour la conception optimale des BSAP-I. (6) Les BSAP-I optimisés ont également conféré une très bonne performance à l'état frais, en permettant maintenir un bon équilibre entre la rhéologie et la stabilité dans le temps, lorsqu'on utilise une énergie de vibration minimale pour amorcer son écoulement. (7) À l'état durci les BSAP-I ont conféré une bonne performance présentant des résistances mécaniques élevées et des niveaux négligeables de pénétration aux ions chlores, de perte de masse par écaillage et des attaques par le gel/dégel. (8) L'utilisation des ciments combinés possédant de la fumée de silice, du laitier et de la cendre volante ont permis [d']améliorer le comportement rhéologique et minimiser le retrait par séchage des BSAP-I dans le temps.

Depuis les années 2000, les grandes entreprises routières axent leurs recherches sur l’abaissement des températures de fabrication et de mise en œuvre des enrobés bitumineux à chaud (de 30 à 50°C). Le développement de ces nouveaux enrobés, dits tièdes, a fait apparaître sur les chantiers des problématiques de maniabilité qui n’existaient pas dans le cas des enrobés à chaud, notamment lors des mises en œuvre manuelles. Ce sujet de thèse, inscrit dans cette thématique des enrobés bitumineux tièdes, vise à étudier leur comportement aux températures de mise en œuvre et à développer une démarche de caractérisation et d’évaluation de leur maniabilité. Pour cela, le travail expérimental a été réalisé à différentes échelles du matériau (liant, mastic et enrobé), sur des matériaux réels (aux liants bitumineux) et modèles (aux huiles de silicone), en s’articulant autour de deux axes principaux : les propriétés de viscosité des liants et des mastics d’une part, puis les propriétés de maniabilité des enrobés évaluées par un outil depuis peu normalisé, à savoir le maniabilimètre. Après un état de l’art sur les enrobés bitumineux, notamment tièdes, leur mise en œuvre et méthodes de caractérisation, et les propriétés rhéologiques des liants et des mastics bitumineux, une présentation des différents matériaux utilisés est faite. Les études rhéologiques menées sur liant et sur mastic sont présentées dans une première partie, depuis la mise en place des protocoles de mesure en plan-plan jusqu’à l’analyse des différents comportements, en fonction de paramètres choisis tels que la température, le taux de cisaillement, le taux de fines ou la présence d’additif tiède. Outre la vérification du caractère newtonien des bitumes et la validation des matériaux modèles, cette partie met en évidence le comportement non newtonien des mastics aux taux de fines testés, ainsi que la présence d’un phénomène de sédimentation dans les mastics, particulièrement à haute température, qui amène à s’interroger sur la pertinence de l’étude à l’échelle mastic par rapport à celle sur liant. En deuxième partie, l’analyse de la maniabilité à l’échelle de l’enrobé est menée à l’aide du maniabilimètre (NF P 98 258-1) ; l’intérêt de maîtriser la compacité de l’échantillon pour une bonne pertinence de l’essai est démontré. Une analyse de différents paramètres, tant géométriques que produits, initialement sur enrobés modèles puis réels, a permis de mettre en évidence la capacité et les limites de cet outil à caractériser la maniabilité, en corrélation avec les études rhéologiques sur liant et mastics / Since the 2000s, road industries have focused their researches on lowering the mixing and implementation temperatures of Hot Mix Asphalt (HMA) (from 30 to 50°C). These new asphalt concretes, called Warm Mix Asphalt (WMA), created a workability issue that did not exist in the case of HMA, especially during manual implementation. This thesis aims to study the behavior of these WMA at implementation temperatures and to develop a method to characterize and evaluate their workability. For that, the experimental work was done at several scales of the material (the binder, the mastic and the mixture), some made with bituminous binders and some with silicone oils. Two properties were studied: on the one hand the viscosity of binders and mastics, and on the other hand the workability of mixtures measured by the workability device, newly standardized. After a state of the art on asphalt concretes, in particular WMA, on their implementation and characterization techniques, on the rheological properties of bituminous binders and mastics, the different materials used are presented along with their characterizations. The rheological studies conducted on binder and mastic are exposed in a first part, from the setup of measure procedures to the analysis of different behaviors with respect to the chosen parameters such as temperature, shear rate, filler content. This part highlights not only the Newtonian nature of binders but also the non-Newtonian behavior of mastics and the sedimentation phenomenon they endured at high temperatures which leads to investigate the legitimacy of the study at the mastic scale. In a second part, the workability of the mixtures is measured with the workability device (NF P 98 258-1), showing the importance of controlling the void content of the sample to guaranty a relevant test. An analysis of several parameters highlighted the ability and the limits of this device to characterize workability, with regard to the rheological studies on binders and mastics

Les enjeux économiques liés à la hausse des coûts des ressources fossiles, leur raréfaction, et les impacts environnementaux inhérents à leur fabrication et à leur utilisation, conduisent les acteurs de la construction à s’orienter vers des matériaux biosourcés. Les ressources issues de la biomasse sont alors au premier plan, celles agricoles notamment, dont les fibres provenant des tiges des plantes. Parmi ces fibres, le lin se démarque en raison de ses propriétés mécaniques élevées et sa faible densité, et sa disponibilité en Normandie. L’objectif de cette étude est de développer un matériau composite innovant par l’association des fibres de lin à une matrice cimentaire, qui sera utilisé dans des procédés de construction préfabriquée. Après la caractérisation fine des constituants de départ, nous avons d’abord décrit en détail l’élaboration des mortiers et bétons biofibrés avec un focus sur la méthodologie de formulation. Puis nous avons analysé l’influence de l’incorporation des fibres de lin sur les propriétés rhéologiques (air occlus, consistance, ouvrabilité et fluidité) et physico-chimiques (pH, ATG). Les propriétés physiques (porosité, module d’élasticité) et mécaniques (contraintes à la rupture, indice de ténacité) ont été mesurées par des essais de flexion et de compression à l’état durci. Ces résultats montrent nettement que la présence des fibres de lin réduit de façon importante les propriétés technologiques des pâtes cimentaires, du fait la sensibilité des fibres au milieu très alcalin et de leur caractère fortement hydrophile. Bien que les traitements de surface des fibres expérimentés (plasma atmosphérique, enrobage coulis de ciment et laitier de hauts fourneaux ou à l’huile de lin) aient permis d’améliorer certaines propriétés des mortiers, ils n’ont pas permis de réduire dans le temps la dégradation des fibres au sein de la matrice cimentaire (hydrolyse alcaline des fibres et leur minéralisation sous l’action de l’hydroxyde de calcium). Il apparaît donc nécessaire de recourir à des liants alternatifs pour tenter d’améliorer la durabilité de ces biocomposites à fibres végétales. Ainsi, de nouvelles formulations de mortiers et bétons sont proposées, dans lesquelles le ciment Portland est remplacé partiellement par le métakaolin / le laitier de hauts fourneaux ou totalement par un ciment sulfo-alumineux, sans préjudices pour le comportement rhéologique. L’étude des nouveaux composites formulés avec le métakaolin ou le ciment sulfo-alumineux indique des niveaux de résistance mécanique et de ténacité élevés. Leurs résistances au gel supérieures au béton classique ou celui incorporant des fibres de verre tient à la forte teneur en air (les fibres jouent un rôle d’agent entraîneur d’air). / The economic issues linked to the rising costs of fossil resources, their scarcity, and the environmental impacts inherent in their manufacture and use, are leading the construction industry to move towards bio-based materials. The resources from biomass are then in the foreground, especially agricultural ones, including fibres from plants stems. Among these fibres, flax stands out because of its high mechanical properties and low density, and its availability in Normandy. The objective of this study is to develop an innovative composite material by combining flax fibres with a cement matrix, which will be used in prefabricated construction processes. After the fine characterization of the initial constituents, we first described in detail the development of plant fibre-reinforced mortars and concretes with a focus on the formulation methodology. Then we analysed the influence of the incorporation of flax fibres on the rheological properties (entrapped air, consistency, workability) and physico-chemical properties (pH, ATG). The physical properties (porosity, modulus of elasticity) and mechanical properties (compressive and tensile strength, toughness index) were measured by bending and compressive tests in the hardened state. These results clearly show that the presence of flax fibres significantly reduces the technological properties of cementitious pastes, because of the sensitivity of the fibres to the highly alkaline medium and their highly hydrophilic nature. The surface treatments of the experimental fibres (by using atmospheric plasma, cement grout coating, blast furnace slag or linseed oil) have effectively improved some properties of mortars, the degradation of the fibres within the cement matrix remain active over the long term (alkaline hydrolysis of the fibres and their mineralization under the action of calcium hydroxide). It therefore appears necessary to use alternative binders in an attempt to improve the durability of these plant fibre biocomposites. Thus, new formulations of mortars and concretes are proposed, in which the Portland cement is partially replaced by metakaolin / blast furnace slag or totally by sulfoaluminate cement, without prejudice to the rheological behaviour. The study of the new composites formulated with metakaolin or sulfoaluminate cement indicates high levels of mechanical strength and toughness. Their resistance to frost superior to conventional concrete or concrete incorporating glass fibres is due to the high air content (the fibres act as an air-entraining admixture).

L'utilisation de béton autoplaçant (BAP) à haute performance a eu récemment une forte progression dans les pays du Golfe Persique, où des grands projets sont en plein essor. La demande du marché prescrit une fluidité très élevée qui se maintient pendant le transport du BAP, et ceci dans des conditions climatiques chaudes. Une résistance élevée à jeune âge est exigée pour faciliter l'avancement des travaux. Le critère de durabilité est imposé afin de lutter contre la grande teneur en sulfate dans le sol et en chlore. L'objectif de l'étude démarrée en été 2006 était d'évaluer la performance des différents BAP préparés avec trois différents types de liant (5% SF + 25% S, 5% SF + 50% S et 70% S), deux E/L (0,32 et 0,38) et deux types de SP (PCP et PNS). Deux températures de mûrissement ont été choisies, l'une chaude (35 [degré]C) et l'autre conventionnelle (20 [degré]C). Enfin, les échantillons ont été soumis à quatre modes (le mûrissement humide de 1 à 13 jours, suivi par un mûrissement à l'air. Les résultats ont montré que, la demande en SP augmente significativement avec la température du béton. La perte de maniabilité était gouvernée par la teneur en SP. La substitution du ciment par du laitier de 25% à 50%, n'a pas pénalisé la résistance à jeune âge dans les conditions chaudes où l'énergie d'activation augmente avec la teneur en laitier. L'élévation de la température a augmenté considérablement la résistance à jeune âge sais diminuer la résistance à 56 jours. Cette dernière, a augmenté remarquablement durant les deux premiers jours de cure humide (3C). Une cure humide prolongée au-delà de 3C a accru minablement la résistance à 56 jours et diminue à peine, la charge totale du KCl.L'utilisation de 5% de la fumée de silice a abaissé la charge totale du KCl à 56 jours à 1000 Coulomb. L'effet du E/L sur la porosité était plus grand que celui de la durée de cure humide.

Abstract : Although concrete is a relatively green material, the astronomical volume of concrete produced worldwide annually places the concrete construction sector among the noticeable contributors to the global warming. The most polluting constituent of concrete is cement due to its production process which releases, on average, 0.83 kg CO[subscript 2] per kg of cement. Self-consolidating concrete (SCC), a type of concrete that can fill in the formwork without external vibration, is a technology that can offer a solution to the sustainability issues of concrete industry. However, all of the workability requirements of SCC originate from a higher powder content (compared to conventional concrete) which can increase both the cost of construction and the environmental impact of SCC for some applications. Ecological SCC, Eco-SCC, is a recent development combing the advantages of SCC and a significantly lower powder content. The maximum powder content of this concrete, intended for building and commercial construction, is limited to 315 kg/m[superscript 3]. Nevertheless, designing Eco-SCC can be challenging since a delicate balance between different ingredients of this concrete is required to secure a satisfactory mixture. In this Ph.D. program, the principal objective is to develop a systematic design method to produce Eco-SCC. Since the particle lattice effect (PLE) is a key parameter to design stable Eco-SCC mixtures and is not well understood, in the first phase of this research, this phenomenon is studied. The focus in this phase is on the effect of particle-size distribution (PSD) on the PLE and stability of model mixtures as well as SCC. In the second phase, the design protocol is developed, and the properties of obtained Eco-SCC mixtures in both fresh and hardened states are evaluated. Since the assessment of robustness is crucial for successful production of concrete on large-scale, in the final phase of this work, the robustness of one the best-performing mixtures of Phase II is examined. It was found that increasing the volume fraction of a stable size-class results in an increase in the stability of that class, which in turn contributes to a higher PLE of the granular skeleton and better stability of the system. It was shown that a continuous PSD in which the volume fraction of each size class is larger than the consecutive coarser class can increase the PLE. Using such PSD was shown to allow for a substantial increase in the fluidity of SCC mixture without compromising the segregation resistance. An index to predict the segregation potential of a suspension of particles in a yield stress fluid was proposed. In the second phase of the dissertation, a five-step design method for Eco-SCC was established. The design protocol started with the determination of powder and water contents followed by the optimization of sand and coarse aggregate volume fractions according to an ideal PSD model (Funk and Dinger). The powder composition was optimized in the third step to minimize the water demand while securing adequate performance in the hardened state. The superplasticizer (SP) content of the mixtures was determined in next step. The last step dealt with the assessment of the global warming potential of the formulated Eco-SCC mixtures. The optimized Eco-SCC mixtures met all the requirements of self-consolidation in the fresh state. The 28-day compressive strength of such mixtures complied with the target range of 25 to 35 MPa. In addition, the mixtures showed sufficient performance in terms of drying shrinkage, electrical resistivity, and frost durability for the intended applications. The eco-performance of the developed mixtures was satisfactory as well. It was demonstrated in the last phase that the robustness of Eco-SCC is generally good with regards to water content variations and coarse aggregate characteristics alterations. Special attention must be paid to the dosage of SP during batching. / Résumé : Même si le béton est un matériau relativement vert, le volume astronomique de béton produit à travers le monde chaque année met le secteur de la construction en béton parmi les contributeurs important au réchauffement climatique. Le constituant le plus polluant du béton est le ciment en raison de son processus de production qui dégage, en moyenne, 0,83 kg de CO[indice inférieur 2] par kg de ciment. Le béton autoplaçant (BAP), un type de béton qui peut remplir le coffrage sans vibration externe, est une technologie qui peut offrir une solution aux problèmes de développement durable de l'industrie du béton. Cependant, toutes les exigences de la maniabilité du BAP proviennent d'une teneur en poudre plus élevé (par rapport au béton conventionnel), ce qui peut augmenter le coût de la construction et de l'impact environnemental du BAP pour certaines applications. Le BAP écologique, Éco-BAP, est un développement récent combinant les avantages du BAP tout en ayant une teneur en poudre significativement plus faible. La teneur en poudre maximale de ce béton, destinée à la construction du bâtiment et aux applications commerciales, est limitée à 315 kg/m[indice supérieur 3]. Néanmoins, la conception de l’Éco-BAP peut être difficile, car un équilibre délicat entre les différents ingrédients de ce béton est nécessaire pour garantir un mélange satisfaisant. Dans ce programme de doctorat, l'objectif principal est de développer une méthode systématique pour la formulation de l’Éco-BAP. Puisque l'effet de groupe des particules (EGP) est un paramètre clé pour la conception des mélanges l’Éco-BAP stables, et que ce phénomène est peu connu, dans la première phase de cette recherche, l’EGP est étudié. Cette partie se concentre sur l'influence de la granulométrie sur l’EGP et la stabilité des mélanges de modèle ainsi que des BAPs. Dans la deuxième phase, le protocole de formulation est développé, et les propriétés des mélanges obtenus, à l’état frais ainsi que l’état durcis, sont évaluées. Étant donné que l'évaluation de la robustesse est cruciale pour la production du béton à grande échelle, dans la dernière phase de ce travail, la robustesse d'un des mélanges les plus performants de la Phase II est examinée. Basé sur les résultats obtenus, nous constatons que l'augmentation de la fraction volumique d'une classe mène à une meilleure stabilité de cette classe. Cela contribue également à une EGP supérieure du squelette granulaire et à une stabilité plus élevée du système. Il a été montré qu'une granulométrie continue dans lequel la fraction volumique de chaque classe est plus grande que la classe consécutive plus grossière peut augmenter l’EGP. En utilisant une telle granulométrie, la fluidité d’un mélange du BAP pourrait être augmentée sans compromettre la résistance à la ségrégation. Un indice de prédiction du potentiel de la ségrégation de particules suspendues dans un fluide à seuil a été proposé. Dans la deuxième phase de la thèse, une méthode de conception en cinq étapes pour l’Éco-BAP a été développée. Le protocole de formulation commence par la détermination des teneurs en poudre et de l'eau, suivie par l'optimisation des fractions volumiques du sable et des gros granulats selon un modèle idéal de granulométrie (Funk et Dinger). La composition de poudre est optimisée dans la troisième étape afin de minimiser la demande en eau tout en garantissant une performance adéquate à l'état durci. Le dosage du superplastifiant (SP) est déterminé dans l’étape suivante. La dernière étape s’agit d’évaluer le potentiel du réchauffement climatique des mélanges développés. Les mélanges de l’Éco-BAP optimisés répondent à toutes les exigences à l'état frais pour le BAP. La résistance à la compression à 28 jours de ces mélanges est dans la fourchette cible de 25 à 35 MPa. En outre, les mélanges montrent des performances suffisantes en termes de retrait de séchage, la résistivité électrique, et la résistance contre gel-dégel pour les applications visées. La performance écologique des Éco-BAPs produis a été satisfaisante. Il a été démontré dans la dernière phase que la robustesse de l'Éco-BAP est généralement bonne en ce qui concerne les variations de teneur en eau et les changements de propriétés des gros granulats. Une attention particulière doit être accordée au dosage du SP pendant le malaxage.