La carbonatation est une pathologie qui affecte les matériaux à base de ciment tels que les bétons et lesmortiers. Les zones carbonatées du matériau deviennent fragiles et perdent ainsi leur pouvoir deprotection des aciers contre la corrosion. Les produits de corrosion engendrent alors une dégradation dubéton pouvant aboutir à la ruine de la structure.Six types de bétons adjuvantés et deux pâtes de ciments ont été formulés grâce à une étude rhéologiqueafin d'étudier l'effet de la carbonatation accélérée et naturelle sur la durabilité des bétons et des pâtesde ciments à base de ressources algériennes. Pour ce faire, plusieurs méthodes d'investigation sontutilisées, aussi bien à l'échelle macroscopique que microscopique.En conclusion, le modèle rhéologique empirique développé peut être utilisé pour formuler des bétonsrésistants à la carbonatation. L'étude de la carbonatation démontre que le protocole accéléré, peut serévéler moins agressifs que la carbonatation naturelle, notamment pour des pâtes de ciment denses.Dans ce cas, la carbonatation accélérée de la surface tend à combler la microporosité superficielle dubéton, freinant ainsi la diffusion du dioxyde de carbone, contrairement à la carbonatation naturelle quiagit de manière plus diffuse sans totalement obstruer la porosité. Moins les bétons sont compacts, plusle protocole accéléré s'avère effectif.

Lorsqu'une structure en béton est soumise à des sollicitations du type séchage ou hautes températures, différents mécanismes interviennent aux différentes échelles d'étude possibles de ce matériau, induisant le comportement global de la structure. Deux mécanismes sont ici distingués : les gradients (hydriques ou thermiques) à l'échelle macroscopique et les incompatibilités de déformations pâte de ciment/granulat à l'échelle mésoscopique. Les travaux présentés visent à déterminer l'effet de ces deux mécanismes. Les simulations réalisées sur le logiciel aux Eléments Finis Cast3M montrent ainsi l'apport d' "essais virtuels" en complément des expériences réelles pour permettre la séparation et la quantification des différents mécanismes intervenant dans la dégradation des propriétés mécaniques. Ces travaux s'appuient sur l'association des deux approches mésoscopique et macroscopique, utilisant deux maillages différents, homogène (considérant une phase unique, le béton) et hétérogène (considérant les deux phases pâte de ciment et granulats). L'influence du modèle mécanique adopté lors des simulations sur l'endommagement et la chute des propriétés mécaniques est également étudié.

Le présent travail propose et développe une méthodologie complète d’identification des propriétés mécaniques locales d’un matériau hétérogène à l’échelle des phases constitutives. Il s’agit d’une combinaison de compétences très diverses, à la fois en théorique, en simulation numérique et en expérimentation. Plus précisément, la partie théorique concerne la détermination des relations nano-micro pour le module d’indentation homogénéisé par des techniques de changement d’échelle; la partie numérique basée sur la théorie du calcul à la rupture est réalisée en vue de trouver de ces dernières relations applicables pour la dureté; et la dernière partie est effectuée pour récupérer les propriétés homogénéisées par la voie expérimentale à l’aide de la technique de nano-indentation. L’étude expérimentale de la thèse est pour l’objectif de déterminer des propriétés d’indentation de différents échantillons de pâte de ciment. Un programme expérimental complet, est développé, qui permet de caractériser des phases principales à l’échelle micrométrique de ce matériau, parmi lesquelles nous nous intéressons surtout à celles plus importantes correspondantes à des phases de la matrice C-S-H. La modélisation du problème lié à l’enfoncement d’une pointe d’indentation dans un matériau est étudiée. Pour cela, la première voie, basée sur l’approche cinématique du calcul à la rupture, consiste à tenter de construire des mécanismes de ruine analytiquement, puis à les faire évoluer en fonction du changement de la géométrie initiale, afin d’obtenir la charge de ruine correspondante. La seconde voie consiste ensuite à suivre la même approche, mais en construisant numériquement ces mécanismes de ruine. La charge obtenue dépend naturellement des paramètres de critères retenus, que l’on détermine grâce à la combinaison avec les résultats expérimentaux. Les critères de résistance de Von-Mises et de Tresca valables pour des matériaux purement cohérents ainsi que celui de forme elliptique sont examinés dans ce travail / The present work proposes and develops a complete methodology for identifying the local mechanical properties of a heterogeneous material at the scale of the constitutive phases. It is a combination of very diverse skills in theory, in numerical simulation and in experimentation. More precisely, the theoretical part concerns the determination of the nano-micro relations for the indentation module; the numerical part based on the yield design theory is carried out to find the last relations applicable for the hardness; and the last part is performed to obtain homogenized properties by the experimental way using the nano-indentation technique. The experimental study of the thesis is for the purpose of determining indentation properties of different cement paste samples. A complete experimental program, is developed, which allows characterizing the main phases at the micrometric scale of this material, among which we are mainly interested in the C-S-H matrix phases. The modeling of the problem related to the penetration of an indentation point into a material is studied. For this, the first way, based on the kinematic approach of the yield design theory, consists in trying to construct ruin mechanisms analytically, then to make them evolve according to the change of the initial geometry, in order to obtain the corresponding ultimate load. The second way is then to follow the same approach, but by building numerically these ruin mechanisms. The obtained load depends naturally on the retained criteria parameters, which are determined by the combination with the experimental results. The Von-Mises and Tresca strength criteria for purely coherent materials as well as the elliptical one are examined in this work

La condensation à l'équilibre dans les milieux poreux met en jeu l'adsorption et la condensation capillaire. La distribution des dimensions de pores détermine le rôle de chaque phénomène. Le spectre poreux du mortier est étudié par trois méthodes comparées: injection de mercure, sorption d'azote,condensation d'eau. Les transferts de masse isothermes résultent de la combinaison de la diffusion moléculaire et effusive de la vapeur et de l'écoulement visqueux du liquide, L'équilibre local peut-être satisfait ou non. Sur la base d'expériences d'imbibition à quatre températures, avec mesure gammamétrique de la teneur en eau, on analyse la nature des transferts dans le mortier. Le schéma de la superposition d'un flux diffusif de vapeur et d'un flux visqueux de liquide aboutit à certaines contradictions. Le coefficient de transfert expérimental peut être expliqué, aux faibles teneurs en eau, par la diffusion de vapeur dans les macropores interconnectés, et aux fortes teneurs en eau par l'écoulement visqueux du liquide dans des chemins composés de pores de toutes dimensions. Aux teneurs en eau moyennes, on propose un schéma où la phase gazeuse contient des ilots liquides intervenant par un mécanisme de condensation-évaporation avec équilibre local. Des expériences d'humidification du mortier au contact d'air humide ventilé font apparaître un transfert considérablement plus lent qu'en imbibition. La diffusion de vapeur vers le matériau ne suffit pas à expliquer le phénomène. On conclut que les îlots liquides, sièges ici uniquement de condensation, n'interviennent pas dans le transfert, assuré par la seule diffusion gazeuse. On propose en outre un schéma de transfert hors-équilibre comportant une loi gouvernant la vitesse de condensation.

L'objectif du présent travail est de développer un outil facile à utiliser qui est capable de prédire l'évolution au jeune âge et le comportement de matériaux cimentaires. Le code de calcul a été développé sous un environnement MATLAB. Des lois d'hydratation trouvées dans la littérature ont été implémentées, afin de générer des microstructures discrètes qui évoluent à partir du moment de l'eau - contact ciment jusqu'au moment auquel le degré d'hydratation final est atteint. La nécessité de modéliser une caractéristique intrinsèque des matériaux cimentaires - la prise - s'impose. Une approche, basée sur l'utilisation d'un algorithme de vérification de la connectivité de la partie solide dans les microstructures numériques est proposée. L'algorithme prend en compte explicitement le rôle de "colle" des hydrates et révèle un seuil du degré d'hydratation en dessous duquel la rigidité du matériau est négligeable. Des calculs analytiques, basés sur des modèles existants d'homogénéisation et des calculs par éléments finis, sont appliqués sur une microstructure hydratante discrète, et plus précisément sur le cluster de percolation donné par l'algorithme de percolation, afin de prédire les propriétés élastiques du matériau. Il est montré que tant que le rôle de cohésion joué par les hydrates n'est pas pris en compte, les résultats obtenus au jeune âge restent imprécis, en particulier pour faibles rapports eau - ciment. Une campagne expérimentale a été spécialement conçue afin d'évaluer la capacité prédictive des simulations numériques. Une partie des mesures qui ont été effectuées sont utilisées comme données d'entrée pour le modèle, d'autres sont utilisées pour valider le modèle. Plusieurs types de mesures de l'évolution des propriétés mécaniques et des déformations au jeune âge ont été testés et évalués pour leur capacité à capturer phénomène recherché.

Dans cette thèse, les travaux présentés s’appuient sur une démarche expérimentale utilisant, outre les mesures destructives habituellement mises en œuvre pour la caractérisation des matériaux cimentaires, les techniques non destructives exploitant la propagation des ondes ultrasonores à des fréquences comprises entre 50 kHz et 600 kHz. L’objectif est d’étudier les corrélations entre les propriétés hydrauliques et mécaniques de la pâte de ciment et les paramètres linéaires des ondes ultrasonores (vitesse et atténuation). L’étude concerne plus particulièrement les relations entre la porosité et la vitesse ultrasonore des différents types d’onde (ondes de volume et onde de Rayleigh). Les matériaux étudiés sont des pâtes de ciment à porosité variable, confectionnées avec différents rapports E/C et avec différents dosages en entraineur d’air. Afin de prendre en compte l’effet de la teneur en eau, les mesures sont effectuées à différents états de saturation : état saturée, 70% de saturation, 30% de saturation et l’état sec. Les données recueillies permettent la constitution d’une base des données expérimentale regroupant les caractéristiques physiques, mécaniques et ultrasonores de la pâte de ciment. Dans la dernière partie de cette thèse, les relations entre les vitesses ultrasonores et la porosité basées sur deux approches macroscopique et microscopique sont présentées et confrontées aux mesures / In this thesis, we present an experimental study including, besides the destructive measurements usually implemented for the characterization of cementitious materials, non-destructive techniques using ultrasonic wave propagation in a frequency range from 50kHz to 600kHz. The objective is to study the correlations between hydraulic, mechanical properties and linear ultrasonic parameters (velocity and attenuation) of cement paste. This study specifically addresses the relationship between porosity and ultrasonic velocity of the different types of waves (body waves and Rayleigh wave). The studied materials are cement pastes with variable porosity, made up with different water / cement ratios and with different concentrations of air entrainer. To take into account the effect of water content, measurements are made at different states of saturation: saturated state, 70% saturation, 30% saturation and dry state. The data collected allows the creation of a database of experimental data involving physical, mechanical and ultrasonic parameters of cement paste. In the final part of this thesis, relationships between ultrasonic velocity and porosity based on macroscopic and microscopic approaches are presented and compared with measurements

La carbonatation est une pathologie qui affecte les matériaux à base de ciment tels que les bétons et lesmortiers. Les zones carbonatées du matériau deviennent fragiles et perdent ainsi leur pouvoir deprotection des aciers contre la corrosion. Les produits de corrosion engendrent alors une dégradation dubéton pouvant aboutir à la ruine de la structure.Six types de bétons adjuvantés et deux pâtes de ciments ont été formulés grâce à une étude rhéologiqueafin d’étudier l’effet de la carbonatation accélérée et naturelle sur la durabilité des bétons et des pâtesde ciments à base de ressources algériennes. Pour ce faire, plusieurs méthodes d’investigation sontutilisées, aussi bien à l’échelle macroscopique que microscopique.En conclusion, le modèle rhéologique empirique développé peut être utilisé pour formuler des bétonsrésistants à la carbonatation. L’étude de la carbonatation démontre que le protocole accéléré, peut serévéler moins agressifs que la carbonatation naturelle, notamment pour des pâtes de ciment denses.Dans ce cas, la carbonatation accélérée de la surface tend à combler la microporosité superficielle dubéton, freinant ainsi la diffusion du dioxyde de carbone, contrairement à la carbonatation naturelle quiagit de manière plus diffuse sans totalement obstruer la porosité. Moins les bétons sont compacts, plusle protocole accéléré s’avère effectif. / The carbonation is a pathology which affects cement-based materials such as concretes and mortars.The carbonated skin of material becomes brittle and losses the protection of inner steels againstcorrosion. The corrosion products generate a degradation of the concrete which may lead to thecollapse of the structure.Six types of adjuvant concretes and two cement pastes have been designed by a rheological study inorder to study the effect of accelerated and natural carbonation on the sustainability of concretes andcement pastes based on algerian resources. For this purpose, several investigation methods were usedwith both macroscopic and microscopic scales.In conclusion, the empirical rheological model developed herein can be used to formulate concretesresistant to carbonation. The study of carbonation shows that the accelerated protocol may be lessaggressive than the natural one, especially for dense cement pastes. In this case, the acceleratedcarbonation of the surface tends to fill up the superficial microporosity of the concrete, slowing downthe production of carbon dioxide, contrary to the natural carbonation which acts more diffusely withoutcompletely obstructing the pores. The lesser compact is the concrete, the more effective is theaccelerated protocol.

Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat au cours de l’hydratation et au cours de la dégradation chimique par lixiviation. La microstructure de l'interphase entre la pâte de ciment et les granulats est caractérisée par une porosité supérieure à celle de la pâte de ciment. Cette zone constitue un point de fragilité dans le béton et ses propriétés affectent fortement le comportement mécanique du béton à l’échelle macroscopique et à l’échelle de la structure. Dans ce travail, la résistance de l’interphase pâte de ciment-granulat est analysée expérimentalement à l'échelle locale. Des essais expérimentaux sont réalisés sur des composites constitués de granulats liés par une pâte de ciment portland préparée avec un rapport Eau/Ciment de 0,5. Des dispositifs expérimentaux dédiés ont été conçus et réalisés de manière à être adaptés à la taille et à la forme des échantillons. La forme des échantillons utilisés et les outils expérimentaux développés permettent de solliciter directement l’interphase. A différents stades de l'hydratation, des échantillons de pâte de ciment seule et des composites sont soumis à des essais de compression, de traction et de cisaillement direct. L’étude des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat révèle une faiblesse de cette zone en termes de propriétés mécaniques..Le protocole expérimental mis au point a permis d’étudier les effets du mécanisme de lixiviation du calcium au niveau de l’interphase sur les propriétés mécaniques du béton à l’échelle locale. Compte tenu du temps caractéristique long du phénomène de lixiviation, la mise en situation expérimentale au laboratoire est accélérée en remplaçant l’eau par une solution de nitrate d'ammonium. Afin de quantifier le développement et la cinétique de dégradation au niveau de la liaison cimentée, les fronts de lixiviation du béton sont caractérisés à différents degrés de dégradation en utilisant la phénolphtaléine comme traceur. Des essais mécaniques locaux (compression, traction et cisaillement) sont réalisés sur les composites et sur la pâte de ciment à différents temps de dégradation. L’étude de l’effet de la lixiviation à l’échelle locale montre le rôle important de l’interphase pâte de ciment-granulat lors du processus de dégradation chimique sur les propriétés mécaniques du composite. / In this work, we presents an experimental study to characterize the mechanical properties at the local scale of the cement paste-aggregate interface during hydration and during chemical degradation by leaching.It is generally accepted that the microstructure of the interface between the aggregates and the cement paste is characterized by a higher porosity than that of cement paste. This makes this zone a weak point in the concrete. The particular properties of this zone strongly influence the mechanical behavior of concrete. In this work, the mechanical properties of the cement paste-aggregate composite, are experimentally studied. The experimental tests are performed on composites at classical aggregate scale (one centimeter of section). These composite are composed by and Portland cement paste and aggregate. The cement paste is prepared with a water/cement ratio of 0.5. The shape of the prepared composites makes them convenient for direct tensile and shear tests. At different stages of hydration, we performed direct tensile and shear tests on the composites by means of specific devices. The same tests were carried out on the cement paste in order to compare with composites results. The shape of the prepared composites makes them convenient to characterize the cement paste-aggregate interface. At different stages of hydration, the composites are subjected to compression tests, direct tensile tests or shear tests. The study of the mechanical properties of the cement-aggregates interface revealed that the cement paste-aggregate interface is the weakest zone in the composite.An experimental protocol was developed to study the effects of calcium leaching mechanism at the cement paste-aggregate interface on the mechanical properties of the concrete. As the process of leaching with the deionised water occurs very slowly, the experimental study in the laboratory is accelerated by replacing the water by ammonium nitrate solution. To quantify the development and kinetics of degradation at the cemented bond, the concrete leaching fronts are characterized at different levels of degradation by using phenolphthalein. Local mechanical tests (compression, tensile and shear) are performed on composite and cement paste at different stages of degradation. The experimental results show that there is a leaching effect on the alteration of the mechanical properties at the cement paste-aggregate interface.

Dans ce travail de thèse, nous proposons dans une première partie l’usage de fibres de la plante marine Posidonia-Oceanica pour la fabrication de matériaux d’isolation thermique de bâtiments. Les caractérisations thermiques effectuées ont permis de mettre en évidence l’effet de la densité des fibres et de traitements chimiques. Il apparaît que ce type de fibres possède une conductivité équivalente à celle d’autres isolants courants et une capacité thermique massique plus élevée. La conductivité thermique en fonction de la masse volumique est comprise entre 0.04 et 0.07 W.m-1.K-1. La capacité thermique massique atteint environ 2500J.kg-1.K-1. Il apparaît également que l’influence du traitement chimique sur les propriétés thermiques n’est pas significative. Les résultats obtenus font de ces fibres un bon candidat pour une utilisation comme isolant thermique dans le domaine du bâtiment. Dans une seconde partie, ces fibres sont utilisées pour le renforcement d’une pâte de ciment. Une gamme de composites a été formulée pour des fractions volumiques en fibres allant de 0 à 20%. Une étude des propriétés hydriques de ces composites a été menée et complétée par des analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et des mesures des propriétés thermophysiques par la méthode du Hot-Disk durant le cycle de séchage. D’autre part, la quantification de la sensibilité de ces matériaux à l’humidité relative a été réalisée par la mesure de la variation de la teneur en eau dans les échantillons dans des environnements à humidité contrôlée. Ces mesures permettent de déterminer le coefficient de diffusion de l’eau. Celui-ci augmente légèrement avec l’augmentation du taux de fibres dans le composite. Du point de vue thermique, l’ajout de fibres améliore les propriétés isolantes des matériaux. En effet, une diminution de 22% sur la valeur de la conductivité thermique est notée avec l’introduction de 20% de fibres, par comparaison à l’échantillon de ciment témoin. L’influence sur la diffusivité thermique et sur la capacité thermique massique n’est pas significative. Du point de vue mécanique, la résistance à la traction par flexion et la compression augmentent légèrement jusqu’à 5 à 10% en volume de fibres puis diminuent. En revanche, une augmentation notable des valeurs de ténacité a été observée avec l’augmentation du dosage en fibres. Une augmentation de 65% est observée avec l’ajout de 20% de fibres. En s'appuyant sur les observations expérimentales, une modélisation analytique simplifiée a été réalisée. Celle-ci permet d'obtenir des modèles de prédiction des valeurs de la conductivité thermique, de la résistance à la traction par flexion, de la résistance à la compression et de la ténacité en fonction de la quantité de fibres dans le matériau / In this work, we have firstly studied the use of fibers extracted from the marine plant Posidonia-Oceanica as loose-fill thermal insulation material for buildings. Measurements were conducted and allowed the determination of the effect of fibers density and chemical treatments on thermal properties. Thermal conductivities were lying between 0.04 and 0.07 W.m-1.K-1, whereas the heat capacity is about 2500 J.kg-1.K-1. Thus, it was found that fibers thermal conductivity is close to the one of commonly used thermal insulation materials and that their heat capacity is significantly higher. It was also found that the influence of chemical treatment on the thermal properties is not significant. Measurement results showed that these fibers could be a promising ecological loose-fill insulation material in the construction field. Secondly, fibers were used as reinforcement for cement paste. A set of composite samples were formulated by varying fibers volume fractions from 0 to 20%. Their hygroscopic, thermal and mechanical properties were evaluated. Composites were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and their thermophysical properties were measured with a Hot Disk thermal constants analyzer during the drying cycle. Sensitivity of these materials to relative humidity was examined by measuring the water content variation in controlled humidity environments. These measurements allowed the quantification of the water diffusion coefficient. This coefficient increased slightly with the increase of fibers content in composite samples. Concerning thermal properties, the addition of Posidonia-Oceanica fibers improved the material insulating properties. In fact, a decrease of about 22% on thermal conductivity values was found with the introduction of 20% of fibers compared to the unfilled cement paste. For Posidonia-Oceanica fibers volume fractions considered in this study (0 to 20 Vol.%), the effect of the presence of fibers on thermal diffusivity and on heat capacity is not significant, regarding the measurement uncertainties. Concerning mechanical properties, flexural and compressive strengths increased for about fiber volume fractions in the range of 5 to 10%. Moreover, a noticeable increase of toughness was observed with increasing fibers amount: for instance, an increase of about 65% was observed with the introduction of 20% of fibers in the composite. Based on the experimental observations, simplified analytical models were developed to predict thermal conductivity, flexural strength, compressive strength and toughness as a function of fibers volume fraction in the material

Cette étude concerne l’ajout de billes de verre de dimension variant de 1 à 50 m dans des matrices cimentaires. Les travaux ont comme objectif dans un premier temps la caractérisation des propriétés physiques et rhéologiques à l’état frais des suspensions cimentaires à deux échelles : la pâte de ciment et le mortier. Puis dans un deuxième temps l’étude de l’influence des microbilles de verre sur les propriétés physiques, mécaniques et durabilité du mortier durci. Des séries d’expériences normalisées ont été faites pour caractériser l’influence des billes de verre sur les indicateurs à l’état frais : la consistance et la prise des pâtes de ciment. Les propriétés mécaniques et de durabilité sont quantifiées au jeune âge (de 3 à 28 jours) et à long terme (de 28 jours à 112 jours). L’étude sur les gels d’hydratation et sur la microstructure du mortier durci a été faite à l’aide de la technique de la microscopie électronique à balayage. Des méthodes de caractérisation complémentaires pour examiner la propagation d’onde, la ségrégation et l’étalement ont également été employées. Les résultats obtenus par l’ensemble des essais évaluent le rôle des microbilles de verre sur les comportements des suspensions de pâtes de ciment et du mortier à l’état frais, et du mortier à l’état durci. Ceci met en évidence l’intérêt rhéologique, mécanique et l’effet sur la durabilité des microbilles de verre dans un matériau cimentaire. / The aim of this work is the valorisation of recycled waste materials in cement paste and mortar in order to reuse these resources for replacing natural aggregates in concrete. Our study concerns the use of a microsphere glass powder (MGP) with a particle size from 1 to 50 m into the cement matrix. This experimental work first focuses on the effect of the MGP on the workability properties of fresh cement paste and fresh mortar and on the physical, mechanical and durability properties of mortar. Many standard tests have been conducted for the characterisation of the behavior of the fresh cement paste i.e the consistency and the setting of fresh cement paste. The durability properties at early age (from 3 to 28 days) and at long time (from 28 days to 112 days) have been also quantified. We employed the scanning electron microscopy for the mortar microstructure analysis. Some supplementary tests like the ultrasonic wave propagation, the segregation and the flow properties on the vibrated table have been also used. The primary results have proved the effect of the MGP on the behaviour of the fresh cement paste, fresh mortar and mortar. The presence of MGP showed interesting modifications on the rheology, mechanical and durability properties of the cement system.