Le béton est le deuxième matériau le plus utilisé par l'homme après l'eau. Il est donc essentiel de toujours progresser dans l'utilisation de ce matériau afin de faciliter au maximum son utilisation et ses performances tout en minimisant son impact environnemental et son coût. L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier le potentiel d'un nouveau type de béton fluide, l'ouvrabilité à la frontière entre le béton autoplaçant (BAP) et le béton conventionnel vibré (BCV) : le béton semi-autoplaçant (SAP). L'utilisation du béton SAP permettra de bénéficier de tous les avantages du BAP (réduction du coût global de construction, amélioration de cadences de travail et de la durée de vie des structures) en éliminant les difficultés rencontrées (coût des matériaux, difficultés techniques).Le projet de recherche se décline en plusieurs sous-objectifs : [1] Déterminer l'énergie nécessaire à la consolidation du béton SAP et vérifier sa stabilité sous vibration. [2] Déterminer les méthodes adaptées pour la réalisation de l'essai d'étalement et pour la confection de cylindres de béton SAP et déterminer quels sont les essais les plus adaptés à la caractérisation de la capacité du béton à passer à travers des obstacles (utilisation du J-ring et de la L-Box). [3] Évaluer l'effet des paramètres de formulation (le rapport eau-poudres (E/P), le rapport sable-granulats (S/G) et le pourcentage de remplacement en filler calcaire) et optimiser la formulation d'un béton SAP destiné à la construction de bâtiments et commerciales (35 MPa à 28 jours sans air entraîné). Cette étude montre que le béton SAP requiert jusqu'à 70 % d'énergie de vibration en moins qu'un BCV. Cette énergie dépend principalement du seuil de cisaillement (de l'étalement) du mélange. Il est donc moins coûteux à mettre en place que le BCV. La méthode optimale pour la réalisation des essais d'étalement et la confection de cylindres d'essais est un remplissage du moule en une couche et 10 pilonnages. Pour évaluer la maniabilité d'un béton SAP, on recommandera d'utiliser la L-Box équipée d'une ou deux barres en fonction de l'application destinée au béton.Le premier essai à faire consiste à mesurer le temps d'écoulement du béton pour atteindre l'extrémité de la L-Box (Tbutée).Le deuxième essai consiste à utiliser un vibrateur externe pour vibrer le mélange à l'intérieur du compartiment vertical de L-Box par paliers de 5 s. L'indice correspondant au temps nécessaire à l'obtention d'une capacité de remplissage de la L-box de 80% est appelé"t[indice inférieur 80%]". Lorsque cet indice est inférieur à 5 s, cela signifie que la capacité de remplissage est excellente, un indice entre 5 et 10 s correspond à une capacité de remplissage bonne et un indice supérieur à 10 s, il y a risque de blocage ou une très mauvaise capacité de passage. L'analyse statistique de mélange a été menée selon un plan d'expériences en faisant varier le rapport (E/P), le rapport (S/G) et le remplacement en filler calcaire. Les équations permettant de formuler un mélange selon un cahier des charges sont présentées.

Cette étude concerne le comportement de mortiers constitués par une matrice résineuse à base d’époxyde désignés dans ce qui suit par mortier de résine, MR.Des études antérieures ont montré que l’ouvrabilité des MR élaborés avec un taux de polymère en masse mp≤12%, afin de baisser leur coût considéré élevé par comparaison à celui des mortiers hydrauliques MH, est médiocre et constitue un frein majeur au développement de ces matériaux dans le domaine de la préfabrication et de la réparation.Un moyen de favoriser le développement des MR consiste, donc, à faciliter leur mise en œuvre. Or le fait de diminuer le taux de polymère afin de diminuer le coût rend la mise en œuvre du mortier encore plus difficile. Par ailleurs l’utilisation de sable recyclé « SR » en substitution au sable naturel « SN »pour répondre à des exigences environnementales en matière d’épuisement de ressources naturelles exacerbe cette difficulté.L’objectif de cette thèse est, donc, de trouver un diluant à incorporer dans les formulations des MR, destinées soit à la préfabrication (2 formulations avec des taux massique de liant à base d’époxyde mp= 9% et 12%) ou à la réparation (mp= 20%). Le but ultime consiste à améliorer leur ouvrabilité tout en assurant leurs propriétés mécaniques et leur durabilité vis-à-vis de la diffusion des ions chlorure. Une comparaison systématique avec des mortiers hydrauliques, MH, est réalisée.Différents diluants ont été sélectionnés. Leur influence sur le point de gel, sur le temps de réticulation et sur les propriétés mécaniques et physiques des époxydes a fait l’objet d’une étude détaillée. Il en ressort que l’octanoate de méthyle permet de diminuer la viscosité de la résine époxyde sans affecter le point de gel et les cinétiques de durcissement de façon significative. Cependant, il joue un rôle de plastifiant à l’origine de l’augmentation de la ductilité et de la diminution des résistances et des rigidités des époxydes à l’état réticulé. Le taux optimal de diluant (md) à incorporer dans la formulation des mortiers de résine a été estimé à 5%.L’incorporation du diluant, avec md= 5%, dans les MR a amélioré leur ouvrabilité, modifié leur microstructure et leurs propriétés de transfert mais a généré une baisse des résistances mécaniques. En effet une baisse de 31% est observée pour MR-SN formulé avec mp= 20%. La substitution du SN par le SR dans les mortiers de réparation (MR avec mp= 20%) engendre, également, une diminution des propriétés mécaniques et une modification des propriétés rhéologiques. Toutefois, ces résistances mécaniques demeurent nettement plus élevées que celles des mortiers hydrauliques à sable naturel (MH-SN) et recyclé (MH-SR). En compression, le mortier MR-SR fabriqué avec mp=20% présente une résistance supérieure de 44% par rapport à celle du MH-SN et de 53% par rapport à celle du MH-SR.La résistance des mortiers à la diffusion des ions chlorure a été appréhendée par un essai de migration en régime transitoire (Non Steady State Migration) et le coefficient de diffusion apparent Dnssm a été calculé pour 10 formulations de mortiers : 1 MH-SR, 1 MH-SN, 2 MR-SR et 6 MR-SN. Il en ressort que les bétons de résine ont une résistance à la diffusion des ions chlorure nettement plus élevée que celle des mortiers hydrauliques. Les coefficients Dnssm des mortiers MH-SN et MH-SR sont respectivement 100 et 200 fois plus élevés que celui du MR-SN (mp= 20%).Le mortier MR-SN destiné à la réparation (avec mp= 20% et md=5%) est caractérisé par une très bonne ouvrabilité et des résistances mécaniques et à la diffusion des ions chlorure les plus élevées. On montre que son adhérence à un support constitué d’un MH-SN dépend de l’état de surface du support (lisse sec, lisse saturé, rugueux sec et rugueux saturé). Le mortier de réparation n’adhère pas aux supports à surface saturée en eau alors qu’une bonne adhérence est observée pour les surfaces sèches. Cette adhérence est meilleure lorsque la surface est lisse. / This study concerns the behavior of mortars constituted by epoxy-based resinous matrix and sand designated in what follows by resin mortar, RM.Previous studies have shown that the workability of RM made with a polymer rate by weight mp≤12% in order to reduce their cost which is considered high compared to that of hydraulic mortars HM, is poor and is a major obstacle to the development of these materials in the area of prefabrication and repair. However decreasing the polymer content to reduce the cost makes the mortar implementation even more difficult. Furthermore the use of recycled sand "RS" to substitute natural sand "NS" to answer environmental requirements regarding natural resource depletion exacerbates this difficulty.The objective of this work is, therefore, to find a thinner to incorporate into RM formulations, intended either to prefabrication (2 formulations with mass rate of epoxy based binder mp= 9% and 12%) or repair (mp = 20%). The ultimate goal is to improve their workability while maintaining their mechanical properties and their sustainability to chloride ion diffusion. A systematic comparison with hydraulic mortars, HM, is performed.Various thinners were selected. Their influence on the gel point, on the time of crosslinking and mechanical and physical properties of the epoxy resin has been the subject of detailed study. It shows that methyl octanoate reduces the viscosity of the epoxy resin without affecting significantly the gel point and curing kinetics.However, it acts as a plasticizer which represents the origin of the increased ductility and reduced resistance and rigidity of the epoxy resin in the cured state.The optimal rate of the thinner (md) to be incorporated in the formulation of resin mortar was estimated at 5%.The incorporation of thinner, with md=5% in the RM improved their workability, changed their microstructure and their transfer properties but generated lower mechanical strength. Indeed a decrease of 31% was observed for RM-NS formulated with mp=20%. The substitution of NS by the RS in repair mortars (RM with mp=20%), leads also, to decreased mechanical properties and modified rheological ones.However, these strengths remain significantly higher than those of hydraulic natural sand (HM-NS)and recycled (HM-RS) mortars. In compression, the RM-RS mortar manufactured with mp=20% has a higher resistance by 44% compared to the HM-NS and 53% compared to that of HM-RS.The resistance of mortars to chloride ions diffusion was apprehended by non Steady state migration test and apparent diffusion coefficient "Dnssm" was calculated for 10 mortar formulations: 1 HM-RS, 1 HM-NS, 2 RM-RS and 6 RM-NS. It follows that the resin concrete has a resistance to chloride ions diffusion considerably higher than that of hydraulic mortars. The "Dnssm" coefficients of HM-NS and HM-RS mortars are respectively 100 and 200 times higher than that of RM-NS (mp= 20%).The RM-NS mortar intended for repair (with mp=20% and md=5%) is characterized by very good workability and the highest mechanical strength and resistance to chloride ions diffusion. We show that adhesion to a support consisting of a HM-NS depends on the surface condition of the support (smooth dry , smooth saturated, rough dry and rough saturated). The repair mortar does not adhere to the surface saturated on water while a good adhesion was observed for dry surfaces. This adhesion is better when the surface is smooth.

Les bétons autoplaçants (BAP) représentent une technologie émergente basée sur la fluidité du matériau et l'élimination de la vibration pour leur mise en place. Les avantages des BAP sont une réduction remarquable du temps de coulée, une plus grande facilité à remplir des éléments structuraux fortement armés, une réduction de l'effort physique, une élimination des vibrations et du bruit, une amélioration de la qualité de la surface et une confection de produits de béton de meilleure qualité. Un approvisionnement inadéquat ou interrompu du BAP lors d'une coulée dans des environnements chauds et secs ou dans des coffrages volumineux ou encore lorsque le béton est retenu peut causer des plans de faiblesses. Certains BAP ont des propriétés thixotropiques et peuvent ainsi être mis en place sur un béton qui a figé mais qui n'a pas commencé sa prise initiale. Ce type de coulée est appelée [i.e. appelé] coulée multi-couches. Dans ces cas problématiques, l'ACI (237R-07) recommande d'utiliser un vibrateur externe ou interne pour une durée de 2 à 3 secondes afin d'annuler la formation de ces lignes de bétonnage. La recherche s'intéresse à assimiler le savoir existant, effectuer des recommandations et de définir des modèles pour le lien entre 2 couches successives de BAP. Un programme expérimental a été entrepris à l'Université de Sherbrooke pour évaluer la perméabilité à l'eau et le lien résiduel entre 2 couches par des essais de flexion et de cisaillements obliques et directs pour des coulées multicouches. De plus, l'effet de la vibration de la couche ancienne de béton avant de couler la nouvelle sur le lien résiduel entre ces 2 couches a été étudiée par des essais de cisaillement direct sur le BAP durci. Huit mélanges de BAP ont été élaborés avec des niveaux différents d'ouvrabilité et de thixotropie et ont permis de couler les corps d'épreuve prismatiques. Les essais pour déterminer le lien résiduel et la perméabilité à l'eau ont été réalisés après 7 et 28 jours de cure humide respectivement après la mise en place du béton. L'ouvrabilité a été évaluée à l'aide des essais d'étalement simple, d'étalement au J-ring et du T50. La thixotropie a été mesurée avec le rhéomètre MK-III modifié, le scissomètre et le plan incliné. Le temps d'attente entre la coulée de 2 couches successives se situe entre 0 et 60 minutes. En général, les résultats obtenus montrent que la perte d'ouvrabilité, le niveau de thixotropie et le temps d'attente ont des effets néfastes sur la performance des coulées multicouches avec des BAP, cependant le temps d'attente a un plus grand impact que les 2 autres paramètres. Les problèmes rencontrés dans les coulées multicouches ont plus d'impact sur les propriétés de transport du béton que sur ses propriétés mécaniques. La recommandation de l'ACI citée auparavant n'est pas valide pour tous les types de BAP parce que la durée de la vibration est fonction du temps d'attente entre 2 couches et de la thixotropie ou du niveau d'ouvrabilité du béton. De bonnes corrélations ont été établies entre l'ouvrabilité et la thixotropie. Une amélioration de la qualité de surface est généralement obtenue avec des propriétés rhéologiques contrôlées et un très faible ressuage. Des BAP avec des hauts seuils de cisaillement peuvent conduire à la présence de bulles d'air à la surface du béton durci. Une viscosité plastique faible peut être associée à de la ségrégation surtout lors de la coulée d'éléments profonds. Il est très important de contrôler l'ouvrabilité du béton en fonction du temps car une perte d'ouvrabilité peut provoquer une faible habileté au remplissage et à des défauts de surface. Ces défauts peuvent apparaître suite à l'effet de retardateur du superplastifiant et/ou des températures faibles lors de la coulée. Durant ce temps de prise retardé, le béton peut ségréger ou ressuer, ainsi l'eau interstitielle peut migrer à la surface du moule, où elle peut produire des bulles d'air ou des sillons. La chute libre des mélanges autoplaçants à l'intérieur de murs, colonnes et autres sections profondes peut entraîner de l'air dans le béton. Le déversement vertical du BAP directement sur du béton déjà coulé peut produire un vortex du nouveau béton à l'intérieur de l'ancien, entraînant avec lui une quantité significative d'air qui sera piégée à l'interface. Le programme expérimental s'intéresse également à l'acquisition du savoir, la rédaction de recommandations et la mise au point de modèles reliés à la qualité de surface des BAP. Un programme expérimental a été entrepris à l'Universite de Sherbrooke pour évaluer la qualité de surface et la teinte des BAP. Une nouvelle technique a été développée pour détecter les défauts présents à la surface coffrée comme les bulles d'air ou des traces de ségrégation en utilisant les logiciels AutoCAD et ENVI 4.5. L'essai du Z-test avec différentes orientations des surfaces fut élaboré en considérant plusieurs matériaux de coffrage : contreplaqué, acier, géotextile, plexiglas et un matériau perméable. Le Z-test mesure 1400 mm de hauteur. Son avantage est de pouvoir étudier l'orientation et la nature des coffrages ainsi que la chute libre lors de la coulée. Pour cette étude, 32 mélanges de BAP ont été réalisés avec des propriétés rhéologiques différentes afin de couler des éléments de Z-test et d'étudier l'influence de la rhéologie du matériau sur la qualité de surface du produit fini. Le comportement rhéologique a été défini à l'aide du rhéomètre ICAR. En général, les résultats obtenus montrent que pour avoir une qualité de surface acceptable et une ségrégation et un ressuage faibles, le seuil de cisaillement et la viscosité plastique doivent être maintenus respectivement entre 0-50 Pa et 10-30 Pa.s, et la hauteur de chute libre doit être réduite pour minimiser la taille et le nombre des bulles d'air. De plus, les coffrages perméables sont recommandés pour éliminer complètement les bulles d'air sur les surfaces coffrées et pour annuler toute influence du ressuage sur la qualité de surface des BAP. L'influence des paramètres de formulation sur l'ouvrabilité, la thixotropie et la rhéologie des BAP a également été abordée dans cette étude. Ces paramètres sont E/L en masse, S/A en volume, la teneur en liant, et la valeur initiale de l'étalement.

Dans le cadre du stockage des déchets radioactifs en couches géologiques profondes (argilite du Callovo-Oxfordien), des bétons à faible alcalinité et à faible chaleur d'hydratation référencés "bas pH " ont été élaborés. L'utilisation de ces types de béton permet de limiter la dégradation des propriétés confinantes du matériau argileux type bentonite. Deux bétons bas pH à base de liants ternaires ont étudiés : un composé de ciment, fumée de silice et cendres volantes (TCV) et l'autre composé de ciment, fumée de silice et laitier moulu de haut fourneau (TL). L'objectif de l'étude est d'analyser le comportement de ces matériaux pour s'assurer : d'une mise en œuvre correcte à l'échelle industrielle, d'une bonne tenue chimique et mécanique dans le temps et d'un confinement performant. Le programme expérimental comprend la caractérisation physico-chimique et mécanique de ces matériaux à forte teneur en additions et est couplé à de la modélisation dans le but, in fine, de disposer d'outils permettant de prédire leur comportement au sein de l'ouvrage. Les résultats montrent qu'un cobroyage des constituants du liant permet d'améliorer la réactivité du liant et de s'assurer d'une bonne robustesse des formules de béton. La condition essentielle de l'obtention d'un pH de leur solution interstitielle de 11 est assurée dès 28 jours. Les bétons peuvent être considérés à faible chaleur d'hydratation du fait des échauffements rencontrés à court terme. A long terme, de hautes performances mécaniques, de faibles coefficients de perméabilité et de diffusion sont obtenus sur ces matériaux. Les modélisations de l'hydratation, de l'évolution de propriétés mécaniques, de l'endommagement, des déformations différées et des transferts hydriques ont été abordées. Le modèle d'hydratation utilisé a été adapté aux liants ternaires en prenant en compte les phénomènes de nucléation des additions sur l'hydratation du ciment. Pour les autres modèles, l'acquisition des mesures expérimentales a permis de fournir les données d'entrée pour leur utilisation et de vérifier leur validité sur des liants fortement dilués. Tous ces travaux permettent au final d'envisager sereinement la modélisation et la prédiction du comportement des structures réalisées en béton bas pH. / In the context of the radioactive wastes disposal in deep geological repository of clay, low-alkalinity and low heat of hydration concretes referenced "low pH " were designed. The degradation of the properties of the clay can be limited by using these types of concrete. Two types of low pH binder were chosen for this research: the first one is comprised of cement, silica fume and fly ash (TCV) and the other one is comprised of cement, silica fume and slag (TL). The objective of this research is to comprehend the behavior of these concrete in order to ensure the well-placing of the fresh concrete at an industrial scale and good mechanical performances, chemical stability and confining properties. The experimental program focuses on a physico-chemical and mechanical characterization of these recent materials with high pozzolanic addition content. The experimental data are then modeled for the purpose of having a tool that, in the end, is able to predict the behavior of the low pH concretes within the structure. The results show that grinding altogether the three constituents improves the reactivity of the binder and allows a good reproducibility of the low pH design. The most important criterion which is a pH of the interstitial solution below 11 is met at 28 days. The heat measurements at early age show that the low pH concretes are low heat of hydration concretes as well. In the long run, high mechanical performances, low permeabilities and diffusivities were obtained on these materials. The modeling of the hydration, evolution of mechanical properties, damage, creep and hydric transfers is also covered in this thesis. The model of hydration was adjusted to match the hydration of ternary binders by taking into account the effects of the additions such as the heterogeneous nucleation, on the hydration of the cement. As for the other models, the experimental results were used as data input to validate the models on binders with high replacement rates. Ultimately, this work allows us to contemplate serenely the modeling and the prediction of the behavior of structure made of low pH concretes.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SEPOLBE qui a pour ambition d’élaborer des adjuvants respectueux de l’environnement qui doivent se substituer à des produits soumis à autorisation REACH. Elle a pour but de mettre en évidence les propriétés de mortiers enrichis d’un adjuvant fabriqué à partir de produits extracellulaires issus de bactéries selon un protocole original. Ce travail consiste en l’étude des caractéristiques de mortiers bioadjuvantés dans le but de développer l’usage de bétons plus éco‐respectueux en améliorant leurs compositions chimiques et leur durabilité. L’action du produit biologique utilisé a été évaluée aussi bien sur sa capacité à modifier le réseau poreux des mortiers et pâtes cimentaires que sur ses effets sur la prise du ciment, la rhéologie à l’état frais et les caractéristiques mécaniques à l’état durci des mortiers permettant ainsi de qualifier ce produit comme bioadjuvant. Il a présenté un effet notable sur l’ouvrabilité de mortiers (de CEM I ou CEM V) avec une action plastifiante. De plus, quel que soit le temps de cure, un optimum de concentration en bioadjuvant de 1,5% a été déterminé pour obtenir des résistances mécaniques dumême ordre de grandeur que les échantillons non adjuvantés, et supérieures au minimum requis par la norme EN 196‐1. Le bioadjuvant n’influence pas la porosité totale accessible à l’eau des mortiers et des pâtes de ciment, toutefois, pour ces dernières, les mesures par porosimétrie par injection de mercure ont révélé l’existence d’un seuil (entre 0,5 et 0,75% de bioadjuvant) à partir duquel la structure poreuse des pâtes cimentaires est modifiée. Les effets de modification de surface de pâtes cimentaires – le liant du béton pouvant constituer un maillon faible en ce qui concerne les problèmes de durabilité de celui‐ci – ont été analysés. Pour des temps de cure élevés, la rugosité des surfaces des pâtes cimentaires diminue en présence du bioadjuvant. Ce travail a permis de lever des verrous techniques concernant l’emploi d’un produit biosourcé en tant qu’adjuvant, ainsi que d’apporter une contribution à la connaissance des interactions entre les micro‐organismes et les matériaux cimentaires. En effet, une approche originale, grâce à la PCR – technique peu utilisée avec les matériaux cimentaires – a permis de mettre en évidence qu’il y avait des bactéries au coeur du béton ayant une capacité à se développer dans des conditions de cures normalisés pour des temps de cure supérieurs à 120 jours. Le bioadjuvant est susceptible de modifier le développement bactérien et présente ainsi la possibilité de conférer aux bétons des capacités de résistances aux agressions environnementales plus importantes lui permettant d’être plus éco‐respectueux, aussi bien par sa composition que par sa meilleure durabilité. / This work is a part of the SEPOLBE project, which aims to develop eco‐friendly admixtures. The active principle of this admixture is made of extra‐cellular substances, secreted by microorganisms into their surroundings. It contributes to the effort in sustainable development that consists to limit the impact of buildings on environment and human health, with a guarantee of better quality concerning esthetical, durability and resistance criteria, according to the REACH regulation. The action of thisorganic product was evaluated on its setting time effects on cement as well as the mechanical behavior to the hardened state. The bioadmixture presents a significant effect on the workability of mortar (CEM I or CEM V) with a plasticizing action. Whatever the curing time, the compressive strength values of samples containing 1.5% of bioadmixture remain higher than the minimum data of standard strength according to the EN 196‐1 standard. The porosimetry by intrusion with mercury carried out with cement pastes showed the existence of a threshold (in the range 0.5‐0.75% of bioadmixture) from which the porous structure of cement pastes changes, while no modification were observed with the measurement of porosity accessible to water. For higher curing times, thesurface roughness of cement pastes, more heterogeneous, decreases with the presence of the bioadmixture. This work allowed to better control the use of a bio‐product assimilated as an admixture, as well as to contribute to the knowledge of the interactions between microorganisms and cementitious materials. An original approach, using the PCR ‐ not routinely used technique forthat purpose with cementitious materials ‐ helped to highlight that bacteria were present inside the mortar samples with a capacity to grow to higher curing time. The studied bioadmixture allows giving to the concrete the ability to resist against environmental stresses while being eco‐friendly, concerning both its chemical composition and its durability.