Les éthers de cellulose (EC) sont des adjuvants couramment introduits dans les mortiers pour améliorer leurs propriétés. Malgré le retard d’hydratation du ciment engendré par ces polysaccharides, ils sont capables d’améliorer la maniabilité et la rétention d’eau des matériaux cimentaires.Cette étude a été initiée afin d’accroître les connaissances sur l’effet des EC sur la rétention d’eau des mortiers à l’état frais. L’objectif est double : identifier les paramètres physico-chimiques jouant un rôle clé et clarifier les mécanismes d’action de dérivés cellulosiques dans les matériaux cimentaires.Pour ce faire, grâce à un large panel d’EC, l’influence des paramètres structuraux des molécules a été élucidée. Les résultats ont démontré que la masse moléculaire était un paramètre primordial alors que les degrés de substitution des groupements greffés sur la molécule ont un impact négligeable sur la rétention d’eau des mortiers. Pour comprendre les mécanismes d’action des EC dans les phénomènes de rétention d’eau, deux pistes ont été explorées. La première a consisté à savoir s’il existait une relation entre le comportement rhéologique des mortiers et leur capacité à retenir l’eau lors d’un contact avec un substrat. L’étude rhéologique a montré que les EC sont des agents viscosants et que pour des EC ayant des degrés de substitution identiques, la viscosité et la rétention d’eau du mortier semblent aller de paire. Cependant, cette relation n’est pas aussi simple. En effet, des propriétés de rétention d’eau différentes ont été mesurées pour des mortiers ayant des consistances voisines. La capacité des mortiers à retenir l’eau ne peut donc pas être déterminée uniquement à partir de son comportement rhéologique. Par ailleurs, d’autres molécules telles que les dérivés de l’amidon, ont mis en évidence une évolution opposée de la rétention d’eau avec les propriétés rhéologiques. Ainsi, la consistance d’un mortier ne peut pas à elle seule expliquer les phénomènes de rétention d’eau des mortiers adjuvantés avec les éthers de cellulose.La seconde hypothèse souvent avancée pour expliquer les propriétés de rétention d’eau est que les dérivés cellulosiques forment une barrière de diffusion à l’eau dans le mortier. La capacité des polymères à former des films a été étudiée à l’aide de deux techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) : la RMN à gradients de champ et la relaxométrie RMN. A l’aide de ces deux techniques, il a été montré que les EC n’ont aucun effet sur le coefficient de diffusion de l’eau dans le volume et à la surface des solides. Une étude temporelle menée par relaxométrie a mis en avant l’importance de la quantité d’eau piégée transitoirement à la surface des solides. / Cellulose ethers (CE) are commonly used as additives to improve the quality of cement-based materials. As admixtures, they improve the properties of mortars such as workability, open time and water retention. This study is devoted to improve the knowledge on the influence of cellulose ethers on the freshly-mixed mortars water retention. The aims of this thesis are to identify they key structural parameters of the CE which influence the water retention and to clarify the water retention mechanisms of CE in freshly mixed mortars.In this frame, the influence of cellulose ethers molecular parameters was explored. The results demonstrated that molecular weight is the key parameter concerning the water retention capacity of mortars. On the contrary, the substitution degrees seem to have a lower impact on this property. To understand water retention mechanisms, two ways were investigated. The first hypothesis is that there is a relationship between the rheological behavior of mortars and their ability to retain water upon contact with a substrate. The rheological study showed that CE are viscosity modifiers. Moreover, for CE with the same substitution parameters, mortar’s viscosity and its water retention seem to go hand in hand. However, this relationship is not so simple. Indeed, the water retention properties were measured for different mortars with close consistencies. This comparison demonstrated that the ability of mortars to retain water cannot be determined from its rheological behavior. In addition, other molecules such as starch derivatives, showed an opposite trend: the higher the consistency, the lower the water retention. Thus, mortar’s consistency is not the only parameter which can explain water retention capacities of CE-admixed mortars.The second hypothesis proposed to explain water retention properties is that cellulose derivatives form a diffusion barrier to water into the fresh mortar, because CE used to form film. The ability of polymers to reduce water mobility was investigated using two techniques of nuclear magnetic resonance (NMR): NMR field gradient and relaxometry NMR. Using these two techniques, it was shown that the EC have no effect on the diffusion coefficient of water in the volume and surface of solids. A study conducted by relaxometry NMR highlighted the importance of the amount of water trapped temporarily at the surface of solids.

Le projet du Centre Industriel de stockage Géologique ou CIEGO porté par l’Andra (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs) permettra de stocker les déchets de moyenne activité à vie longue et haute activité à 500 mètres de profondeur dans des galeries en bétons construites dans une couche d’argilite. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier les effets des rayonnements gamma de faible débit de dose sur le comportement physico-chimique et hydrothermo-mécanique du béton. Des expériences à différentes échelles ont donc été réalisées au cours de cette thèse. Des mortiers et des pâtes de ciment ont été irradiés dans un irradiateur gamma (E = 0,667 MeV, LET = 0,23 keV.μm-1) sur le site du cyclotron Arronax (Saint-Herblain,France). La variation des résistances en flexion et en compression a été déterminée pour différents types de matériaux (mortier humide, sec et carbonaté et pâte cimentaire sèche et carbonatée) montrant une importante diminution des propriétés mécaniques. Ces variations on été expliquées par des études physico-chimiques de sillicates de calcium hydratés (C-S-H), phase prédominante du béton, montrant une modification sous rayonnement gamma. Les résultats microscopiques et macroscopiques ont ainsi été comparés afin de comprendre l’évolution d’un matériau cimentaire sous rayonnement gamma de faible débit de dose. / The project of Centre Industriel de stockage Géologique or CIGEO supported by Andra (French Agency for Radioactive Waste Management) will allow storing intermediate level and high-level wastes 500 meters deep inconcrete galleries built in an impermeable argillaceous rock. The main objective of this study is to understand the effects of lower dose rate external gamma irradiations on the physical-chemical and hydro-thermo-mechanical behavior of concrete which could be used in the CIGEO structures and elements. A multiscale and multi-physics experimental protocol has been established during this PhD work. Mortar and cement paste specimens have been irradiated in a gamma irradiator (E = 0.667 MeV,LET = 0.23 keV.μm-1) and subsequently subjected to bending and compressive mechanical stress tests. These irradiations have been performed at the ARRONAX cyclotron facility (Saint-Herblain, France). The variations of compressive and bending strength after irradiation have been measured for different materials (humid, dried and carbonated mortar and cement pastes) showing a high decrease of mechanicals properties. Mechanical variations have been explained by the study of physical-chemical evolution of calcium silicate hydrates (C-S-H), the major phase composing the concrete which can be modified under gamma radiation. Microscopic and macroscopic results were successfully compared to explain the evolution of the cementitious materials under low doserate of gamma radiation.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Villeneuve d'Ascq, Ecole centrale de Lille : 2006. / Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 175-188.

Les éthers de cellulose (EC) sont des adjuvants couramment introduits dans les mortiers pour améliorer leurs propriétés. Malgré le retard d'hydratation du ciment engendré par ces polysaccharides, ils sont capables d'améliorer la maniabilité et la rétention d'eau des matériaux cimentaires.Cette étude a été initiée afin d'accroître les connaissances sur l'effet des EC sur la rétention d'eau des mortiers à l'état frais. L'objectif est double : identifier les paramètres physico-chimiques jouant un rôle clé et clarifier les mécanismes d'action de dérivés cellulosiques dans les matériaux cimentaires.Pour ce faire, grâce à un large panel d'EC, l'influence des paramètres structuraux des molécules a été élucidée. Les résultats ont démontré que la masse moléculaire était un paramètre primordial alors que les degrés de substitution des groupements greffés sur la molécule ont un impact négligeable sur la rétention d'eau des mortiers. Pour comprendre les mécanismes d'action des EC dans les phénomènes de rétention d'eau, deux pistes ont été explorées. La première a consisté à savoir s'il existait une relation entre le comportement rhéologique des mortiers et leur capacité à retenir l'eau lors d'un contact avec un substrat. L'étude rhéologique a montré que les EC sont des agents viscosants et que pour des EC ayant des degrés de substitution identiques, la viscosité et la rétention d'eau du mortier semblent aller de paire. Cependant, cette relation n'est pas aussi simple. En effet, des propriétés de rétention d'eau différentes ont été mesurées pour des mortiers ayant des consistances voisines. La capacité des mortiers à retenir l'eau ne peut donc pas être déterminée uniquement à partir de son comportement rhéologique. Par ailleurs, d'autres molécules telles que les dérivés de l'amidon, ont mis en évidence une évolution opposée de la rétention d'eau avec les propriétés rhéologiques. Ainsi, la consistance d'un mortier ne peut pas à elle seule expliquer les phénomènes de rétention d'eau des mortiers adjuvantés avec les éthers de cellulose.La seconde hypothèse souvent avancée pour expliquer les propriétés de rétention d'eau est que les dérivés cellulosiques forment une barrière de diffusion à l'eau dans le mortier. La capacité des polymères à former des films a été étudiée à l'aide de deux techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) : la RMN à gradients de champ et la relaxométrie RMN. A l'aide de ces deux techniques, il a été montré que les EC n'ont aucun effet sur le coefficient de diffusion de l'eau dans le volume et à la surface des solides. Une étude temporelle menée par relaxométrie a mis en avant l'importance de la quantité d'eau piégée transitoirement à la surface des solides.

La maintenance des ouvrages en matériaux cimentaires fissurés a un coût économique et environnemental considérable, les méthodes de traitement actuelles étant polluantes et d’une efficacité limitée à long terme. La biocicatrisation, reposant sur la formation d’un dépôt de carbonate de calcium d’origine bactérienne au sein des fissures du matériau, est une alternative durable et écologique aux résines synthétiques. Cette thèse a pour objectif de créer une méthode de biocicatrisation de fissures d’ouvertures comprises entre 150 et 500 μm, en optimisant sa mise en oeuvre pour une utilisation commerciale. Cette méthode repose sur l’injection de bactéries dans les fissures, par le biais d’un milieu épaissi favorisant la précipitation de CaCO3 biosourcé. Pour ce faire, ce travail de thèse repose sur trois axes. Dans un premier temps, le milieu épaissi est créé puis ses propriétés rhéologiques sont optimisées à l’aide de mesures rhéologiques et d’essais d’injection dans des éprouvettes de mortier fissurées. Dans un deuxième temps, l’effet de l’épaississement du milieu sur la croissance de B. pseudofirmus et sur la bioproduction de carbonate de calcium est évalué. Enfin, des essais de biocicatrisation sont conduits en conditions contrôlées et en milieu extérieur sur des matériaux fissurés afin de vérifier le potentiel de cette méthode à différentes échelles allant de l'éprouvette de mortier à la dalle de béton. Les essais réalisés ont permis de formuler une suspension thixotropique et rhéofluidifiante en combinant deux épaississants, le Welan et l’Attagel. Cette suspension peut être injectée efficacement et sans drainage dans des fissures de 150 à 800 μm d’ouverture. L’ajout d’épaississants n’a pas d’impact sur la croissance de B. pseudofirmus et augmente la production de carbonate de calcium par les bactéries. Les essais de biocicatrisation ont démontré que l’utilisation de milieu épaissi contribue durablement au colmatage des fissures en formant un film solide lors de son séchage, et constitue un support au sein duquel les bactéries peuvent réaliser le processus de biocicatrisation malgré les fortes contraintes imposées par une utilisation in situ. A l’issue du traitement de biocicatrisation, la production de CaCO3 au sein des fissures par la souche bactérienne d’étude, B. pseudofirmus, a pu être démontrée par des observations microscopiques (MEB). Les essais menés au cours de ce projet ont permis de mettre au point une méthode de biocicatrisation ayant un potentiel pour une utilisation commerciale, se démarquant par sa facilité d’emploi et le cumul entre colmatage abiotique et biologique. / Abstract : Maintenance of cracked cementitious materials comes at a high environmental and economic cost, as current reparation technologies are polluting and lack long-term durability. Bio-healing, which relies on the clogging of cracks with bacterial calcium carbonate, is a durable and environmentfriendly alternative to synthetic resins. Indeed, calcium carbonate, calcite in particular, is a long-lasting material, and bacterial activity does not require the use of any toxic chemicals. Based on a previous study proving the bio-healing potential of the bacteria Bacillus pseudofirmus under controlled conditions, this project aims to design a bio-healing method allowing to repair cracks from 150 to 500 µm wide and fitting commercial use. This method relies on the injection of bacteria in cracks, using a thickened medium which enhances CaCO3 bioproduction. To achieve this goal, the work was organized according to three phases. The first phase is to create and characterize the thickened medium through rheological measurements and injection tests in cracked mortars. For the second phase, the effect of the thickened medium on bacterial growth and bioproduction of CaCO3 is assessed through growth experiments. For the third phase, bio-healing tests are performed in a controlled environment and outdoors on cracked materials in order to confirm the potential of this method for commercial use, for lab and pilot scales. During the rheological experiments, we created a thixotropic and shear-thinning suspension using two thickeners in combination, Welan and Attagel. This suspension can be efficiently injected into 150 and 800 µm wide cracks without post-injection drainage. Adding thickeners does not alter bacterial growth, and increases CaCO3 bioproduction. Biocicatrisation tests revealed that the use of a thickened suspension contributes to sealing of cracks as it dries to form a solid film inside the cracks, and embed the bacteria so they could precipitate significant amounts of CaCO3 despite the constraints of in situ conditions. At the end of the bio-healing treatment, the strain B. pseudofirmus has been proven to precipitate CaCO3 through SEM observations. The experiments which have been performed during this PhD led to the creation of a bio-healing method which holds a true potential for commercial use, as it is particularly easy to use and combines biotic and abiotic sealing of the cracks.

Les matériaux naturels tels que l'os et la nacre d’ormeau sont constitués de blocs de construction relativement faibles et présentent pourtant souvent des combinaisons remarquables de rigidité, de résistance à la rupture et de ténacité. Ces performances sont dues en grande partie à leurs architectures de brique et de mortier. De nombreux efforts sont consacrés à la duplication de ces principes dans les matériaux synthétiques. Toutefois, les progrès sont en grande partie basés sur des approches empiriques, qui prennent beaucoup de temps et ne garantissent pas la réalisation optimale.La modélisation est une alternative attrayante pour guider la conception et les voies de traitement de ces matériaux. Dans ce travail, nous développons un modèle numérique basé sur la méthode des éléments discrets (DEM) pour comprendre les mécanismes de renforcement et optimiser les propriétés mécaniques des matériaux de type nacre en fonction de leurs paramètres microstructurales. Le modèle suit l’évolution de la fissure, prend en compte de différents mécanismes de renforcement et évalue quantitativement la rigidité, la résistance à la rupture et la ténacité. Une approche intéressante, basée sur l'imagerie EBSD, est présentée pour modéliser le matériau réel et ses différentes variations microstructurales. Les résultats sont ensuite combinés pour fournir des directives de conception pour les composites synthétiques de type brique et mortier comprenant uniquement des constituants fragiles. / Natural materials such as bone and the nacre of some seashells are made of relatively weak building blocks and yet often exhibit remarkable combinations of stiffness, strength, and toughness. Such performances are due in large part to their brick and mortar architectures. Many efforts are devoted to translate these design principles into synthetic materials. However, much of the progress is based on trial-and-error approaches, which are time consuming and do not guarantee that an optimum is achieved.Modeling is an appealing alternative to guide the design and processing routes of such materials. In this work, we develop a numerical model based on Discrete Element Method (DEM) to understand the reinforcement mechanisms and optimize the mechanical properties of nacre-like materials based on their microstructural parameters. The model follows the crack propagation, accounts for different reinforcement mechanisms, and quantitatively assess stiffness, strength, and toughness. An interesting approach, based on EBSD imaging, is presented to model the real material and its different microstructural variations. Results are then combined to provide design guidelines for synthetic brick-and-mortar composites comprising with only brittle constituents.

Les ouvrages d’assainissement en maçonnerie de meulière construits au 19ème siècle à Paris ont une forme ovoïdale et sont soumis à des sollicitations agressives qui ont largement augmenté depuis le début du 20ème siècle. Si la majorité de ces ouvrages continuent à fonctionner, leur état général se dégrade inexorablement. Comme la reconstruction n’est pas toujours possible pour des raisons de coût et d’impact social, la réhabilitation est la solution adoptée par de nombreux maîtres d’ouvrages. La thèse est une partie du projet RESAME qui a pour but de réduire les coûts de réhabilitation, d’améliorer la durabilité des réparations et de diminuer le temps d’intervention sur le site. L’objectif principal de la thèse est de mettre au point de nouvelles méthodes de restructuration plus économiques que les méthodes usuellement utilisées. Après avoir présenté les ouvrages d’assainissement et leurs types de dégradations. Les techniques d’auscultation et de réhabilitation sont données. Une synthèse bibliographique de l’application des matériaux composites sur des structures en maçonnerie est détaillée en première partie. Du fait de la géométrie et des matériaux, des voutes ont été substitué aux ovoïdes pour nos essais présentés en seconde partie. Deux procédés ont été mis au point au cours de la thèse : un chemisage mince par mortier fibré de 3 cm et un renforcement par collage de matériaux composites (Lamelles et tissus). Vingt voûtes ont subi un chargement jusqu’à la rupture. Le but de l’ensemble des essais est de déterminer les mécanismes de ruine, les charges de la première fissuration et les charges à la rupture. Un gain important est alors constaté pour les méthodes de renforcement. Les résultats obtenus sont présentés et discutés. / In 19th century, Sewerage systems constructed in Paris were egg-shaped and made of masonry. Collectors are subjected to aggressive loads which have largely increased since the early 20th century. Even, if the majority of structures are still in service, their general condition deteriorates inexorably, and as the reconstruction is not always possible for reasons of cost and social impact, rehabilitation is the solution adopted by many clients. The thesis is a part of the project RESAME designed to reduce rehabilitation costs, improve the durability of repairs and reduce response times on the site. The main objective of this thesis is to develop new methods of restructuring. After introducing sewerage systems and their types of damage, auscultation techniques and rehabilitation will be presented. A bibliographical survey of the application of composite materials on planes and curved structures masonry is detailed in first time. Because of the complexity of geometry and materials, the vaults were substituted by the ovoid for our tests presented in the second half. Two methods are developed in this thesis: a thin layer of fiber reinforced mortar (FRM) by 3 cm and reinforcement by composite materials. Twenty vaults have been loading up to failure. The purpose of the tests is to determine the failure mechanisms, the first cracking loads and breaking loads. An important gain is then observed as well as a delay in cracking for every reinforcement method. The results are presented and discussed. These two processes will be applicable on several projects soon.

De la fin des invasions magyares, dans le second tiers du Xe siècle, jusqu'en 1300, l'Alsace connut un accroissement continu de chantiers de constructions fortifiées privées. Celui-ci se traduisit par l'édification de dizaines de châteaux dont les ruines jalonnent, du Nord au Sud, le versant oriental du massif vosgien et qui ne manquèrent pas de susciter la curiosité de nombre de chercheurs depuis plus d'un siècle. L'histoire de leur construction, ou « art de bâtir », longtemps reléguée au second plan, a connu de grandes avancées grâce à l'archéologie du bâti. Ces études permettent, grâce à la documentation des phases de constructions, d'aborder les questions relatives au fonctionnement d'un chantier et à la gestion des matériaux. Le massif étant divisé entre une partie gréseuse au Nord et une zone cristallophyllienne, plus diverse, au Sud, l'apport de la géologie ou de la chimie des matériaux ouvrent de nouveaux champs de connaissances (composition des mortiers, sélection de roches pour les parements). Posé sur un sommet bien visible, le château cumulait les fonctions de résidence privée et de protection publique et ses parements furent conçus de façon à répondre au mieux aux exigences militaires et résidentielles. / From the end of the Hungarian invasions, in the second third of the 10th Century, until 1300, a growing number of private fortifications was built in Alsace. This phenomenon was represented by dozens of castles, ruins of which punctuate from North to South the eastern side of the Vosges Mountains and stirred up the curiosity of many archaeologists for more than one century. The history of their construction, or "art of building", considered as secondary for a long time, improved thanks to the archaeological studies of elevations. These researches enable to show information relating to the organisation of a building-yard and the management of materials, thanks to the documentation of the different stages of building. The Vosges massif being divided into a sandstone part in the North and a granite part in the South, geological or chemical studies open new fields of knowledge (composition of mortars, stone selection for the facing of wall...). Built upon a well visible summit, the castle gathered the functions of private residence and public defence, so its walls were designed to fit military and residential requirements at best.

Les mélanges de ciment sulfoalumineux et de ciment Portland sont des liants hydrauliques innovants permettant de moduler les propriétés des bétons, telles que la vitesse de montée en résistance ou la stabilité dimensionnelle. Les performances du liant peuvent ainsi être ajustées pour de nombreuses applications. Au-delà de cet avantage, les émissions de dioxyde de carbone liées à la production du ciment sulfoalumineux sont significativement réduites comparées à celles du ciment Portland traditionnellement utilisé. La diversité des propriétés de ces liants résulte de la variété des mélanges pouvant être réalisés à partir des deux constituants de base. Chaque mélange présente alors une cinétique d'hydratation et des propriétés qui lui sont propres. Par exemple, certains liants sont expansifs mais présentent une montée en résistance progressive, tandis que d'autres sont stables dimensionnellement alors que leur résistance stagne après quelques jours d'hydratation. L'identification et le contrôle des paramètres à l'origine de ces comportements sont donc nécessaires pour garantir des propriétés spécifiques à un usage donné : chape, mortier de réparation, élément préfabriqué, etc. C'est l'objectif de cette étude qui s'attache à déterminer la cinétique, la minéralogie et les propriétés associées à l'hydratation de trois mélanges contenant 85 %, 70 % et 40 % de ciment Portland. Les essais entrepris ont aussi permis d'aboutir à une modélisation thermodynamique des mécanismes d'hydratation. L'impact de la composition du ciment Portland est également étudié. Enfin, il est montré que l'anhydrite et la chaux sont deux leviers qui modifient radicalement le processus d'hydratation et permettent ainsi d'adapter les propriétés d'un mélange aux exigences de son utilisation / Blends of ordinary Portland cement and sulfoaluminate cement are innovative hydraulic binders allowing control of concrete properties such as hardening speed or dimensional stability for specific applications. Moreover, carbon dioxide emissions linked to sulfoaluminate cement are significantly reduced compared to ordinary Portland cement. The binder properties can be adjusted due to the diversity of blends conceivable with these two constituents. Each blend has its own hydration kinetic and properties. For example, some blends are expansive and the hardening is progressive whereas other mixtures are dimensionally stable but their strength stagnates after few days. Identification and control of the parameters responsible of these comportments are necessary in order to guaranty specific properties for each application: screed, repairing mortar, etc. This is the aim of this study which described the hydration kinetic, the properties and composition of three blends containing 85 %, 70 % and 40 % of Portland cement. These experiments are completed by thermodynamic modeling of the hydration mechanisms. The effect of the Portland cement composition has also been tested. Finally, it's shown that anhydrite and calcium hydroxide are two key parameters which modify radically the hydration process and allow the properties adjustment required for the blend used

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