Ces travaux s’intéressent au comportement de pâtes de ciment de différentes natures cimentaires exposées à une eau douce naturelle et plus particulièrement aux interactions avec les éléments biologiques. Cette étude est basée sur l’analyse comparative d’échantillons placés en milieu naturel (Moselle) et en milieux artificiels de laboratoire. Quels que soient les milieux et les microorganismes considérés, les résultats montrent une modification de la minéralogie de la surface et du réseau poreux des échantillons (taux de porosité, propriétés de transferts). Les essais en laboratoire ont permis d’isoler l’influence spécifique des bactéries dans les phénomènes de biolixiviation. Le dénombrement bactérien montre aussi que la densité de cellules présentes dans le biofilm recouvrant les échantillons dépend peu de la nuance cimentaire, excepté pour les ciments au calcaire. Les observations au MEB ont révélé, sur l’ensemble des échantillons, la présence abondante de diatomées en partie recouvertes par une couche minérale issue d’une cristallisation secondaire. La colonisation de la surface par ces diatomées est influencée par la géométrie et la nature minéralogique des échantillons. Les résultats d’essais en laboratoire ont montré qu’elles ont des interactions avec la pâte de ciment, l’évolution des densités de population de diatomées coïncide en effet avec l’évolution des caractéristiques de porosité (taux de porosité, propriétés de transferts) / This work focuses on the behavior of cement pastes of different cement bases exposed to natural fresh water and on the interactions with the biological elements. This study is based on the comparative analysis of samples immersed in natural environment (Moselle) and in artificial laboratory media. Whatever the media and microorganisms considered, the results show a change in the mineralogy of the surface and the porous network of the samples (porosity rate, transfer properties). Laboratory tests highlighted the specific influence of bacteria in bioleaching phenomena. The bacterial count also shows that the density of cells present in the biofilm covering the samples does not mainly depend on the cementitious grade, except for the limestone cements. The SEM observations revealed the abundant presence of diatoms on all samples. Diatoms are partly covered by a mineral layer resulting from secondary crystallization. The colonization of the surface by these diatoms is influenced by the geometry and mineralogical nature of the samples. The results of laboratory tests have shown that they interact with cement paste; the evolution of diatom population densities coincides with changes in porosity characteristics (porosity rate, transfer properties)

Les aspects biologiques ne sont généralement pas considérés lors de la conception des ouvrages de génie civil, malgré que la biocolonisation puisse affecter leur durabilité. Cette thèse s’intéresse à l’encrassement biologique des matériaux cimentaires en eau de rivière. Un essai de biocolonisation phototrophe accélérée, simulant les conditions en rivière a été mis au point et validé. Il a permis l’étude de pâtes cimentaires de différentes formulations. La colonisation a été évaluée par le taux de recouvrement de la surface, estimé par une méthode proposée d’analyse d’images. Une étude de l’influence de la rugosité sur la bioréceptivité du matériau a été réalisée à travers plusieurs paramètres de différentes natures et la densité de pics (paramètre d’espacement) a montré l’influence la plus déterminante. Un modèle a été proposé pour expliquer cette influence et a donné des résultats satisfaisants. Les influences de la porosité et du pH semblent être limitées dans les conditions de l’essai. Enfin, la micro-indentation a été adaptée pour l’évaluation mécanique de la détérioration des pâtes cimentaires sur de faibles épaisseurs. Cette technique pourra être utilisée pour évaluer la biodétérioration. / The biological aspects are generally not considered in the design of civil engineering works, although the biocolonisation may affect their durability. This thesis focuses on biofouling of cementitious materials in river water. A laboratory accelerated test of phototrophic biocolonisation, simulating the river conditions, was developed and validated. It allowed the study of cement pastes of different formulations. Colonization was assessed by the recovery rate of the surface, estimated by a proposed method of image analysis. A study of the roughness influence on the bioreceptivity of the material was conducted through several roughness parameters of different natures, and the peaks density (a spacing parameter) showed the most decisive influence. A model was proposed to explain this influence and gave satisfactory results. The influences of porosity and pH appeared to be limited in the test conditions. Finally, micro-indentation was adapted to the mechanical evaluation of the deterioration of thin layers of cement pastes. This technique may be used to evaluate the biodeterioration.

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.

Les différentes options envisagées par la France et la Suisse pour le stockage de déchets radioactifs en couches géologiques profondes argileuses prévoient l’utilisation d’importants volumes de matériaux cimentaires. Les liants dits bas-pH ont été développés afin de limiter la perturbation de la roche encaissante par le panache alcalin. Les études expérimentales menées sur les interfaces béton bas-pH-argile mettent systématiquement en évidence la formation de phases silico-magnésiennes, potentiellement de silicate de magnésium hydraté (M-S-H), mal modélisées à cause de données thermodynamiques limitées. Cette étude a pour objectif de caractériser ces phases en température, en présence d’aluminium, calcium et d’alcalins pour alimenter les bases de données thermodynamiques et améliorer les calculs sur les évolutions physico-chimiques des bétons bas pH et éventuellement des bétons de Portland. Des suspensions de M-S-H ont été synthétisées à partir d'oxyde de magnésium et de fumée de silice à différentes températures, à différents temps de réaction et différents rapports Mg/Si. Un panel de techniques d’analyses de chimie du solide et des mesures en suspensions couplées à des analyses des phases liquides a été utilisé pour caractériser les phases synthétisées. Initialement, et quel que soit le Mg/Si total choisi pour la synthèse, un M-S-H avec un rapport Mg/Si ~1 précipite en présence de brucite et de silice amorphe. Lorsque l’équilibre du système est atteint, 2 à 3 ans à 20 °C ou 1 an à 50 et 70 °C, le Mg/Si varie de ~0,8 à ~1,4. La température a peu d'influence sur le M-S-H formé même si le M-S-H se forme plus rapidement et qu’il est légèrement moins stable thermodynamiquement lorsque la température augmente. A l'équilibre, sa structure mal définie est comparable à des nano-cristallites de phyllosilicates hydratés avec une surface spécifique supérieure à 200 m2/g. Un modèle de solution solide pour le M-S-H a été calculé et ajouté à la base de données.Dans un second temps, les travaux ont été focalisés sur la formation de M-S-H à partir de silicate de calcium hydraté (C-S-H) avec un faible Ca/Si (= 0,8) et de magnésium. Le C-S-H n’est pas stable à des pH avoisinant un pH = 10, ce qui favorise la précipitation de M-S-H. Des recherches détaillées montrent que du calcium peut être faiblement incorporé dans le M-S-H (Ca/Si ≤ 0,10), et des solutions solides contenant du calcium ont été ajoutés à la base de données. Pour des pH supérieurs à 10-10,5, les C-S-H et M-S-H coexistent. L’observation par MEB-EDS d’une interface en cellule de diffusion entre C-S-H (Ca/Si=0,8 représentant un liant bas pH) et M-S-H (Mg/Si=0,8), couplée à la modélisation de celle-ci en transport réactif, sur la base des nouvelles données thermodynamiques dérivées des expériences précédentes, montrent la détérioration rapide du C-S-H et la précipitation de M-S-H dans le disque C-S-H, ainsi qu’une absorption homogène du calcium dans le disque de M-S-H.L’augmentation du pH en solution favorise la sorption de cations. Des M-S-H présentant une sorption de sodium jusqu'à Na/Si ~ 0,20 en absence de brucite ont été observés à des pH avoisinants 12,5. La sorption sur le M-S-H est favorisée dans l'ordre Na+ < Mg2+ < Ca2+. Enfin, l'aluminium s’incorpore dans le M-S-H pour former du M-A-S-H. Un rapport Al/Si jusqu’à 0,2 est observé dans des suspensions synthétisées en présence d’aluminate de sodium ou de métakaolin. Les données de RMN de l’aluminium ont montré que celui-ci est présent dans les sites tétraédriques et octaédriques du M-A-S-H. La phase formée a une structure similaire à celle du M-S-H avec un degré de polymérisation des silicates et une charge effective de surface comparables. / The various options to store radioactive wastes in deep geological strata considered in France or Switzerland include the use of large volumes of cementitious materials for infrastructure in contact with argillaceous rocks. So-called low-pH binders were developed to minimize disruption to the surrounding rock by the alkaline plume. Studies conducted on the interaction zone between concrete and clay systematically highlighted the formation of magnesium silicate phases including magnesium silicate hydrate (M-S-H) at the interfaces, which can presently be modeled only partially due to incomplete thermodynamic data. The purpose of this study was to characterize these phases in temperature, aluminum, calcium, and alkali conditions in order to provide the thermodynamic data and improve the calculations on physicochemical evolutions of low-pH concretes and possibly Portland concretes.M-S-H phases were synthesized from magnesium oxide and silica fume in batch experiments at different temperatures, for various times and varying Mg/Si. A large number of different techniques such as chemical solid characterizations coupled with suspension investigations and liquid analyses were used to characterize the phases synthesized. Initially a M-S-H phase with Mg/Si equal to 1 was precipitated in addition to amorphous silica and brucite whatever the total Mg/Si used for the synthesis. After long equilibration times, 2 to 3 years at 20°C or 1 year at 50 and 70°C, the Mg/Si in M-S-H ranged from ~0.8 to ~1.4. The temperature had little influence on the M-S-H formed even if the M-S-H formation occurred faster and M-S-H was thermodynamically slightly less stable when the temperature was increased. At or near to equilibrium, M-S-H phases were characterized with ill-defined structure comparable to nano-crystallite, hydrated phyllosilicates with a surface area greater than 200 m2/g. A M-S-H solid-solution model was calculated and implemented in the thermodynamic database.It was observed that M-S-H also form from calcium silicate hydrate (C-S-H) with a Ca/Si = 0.8 in the presence of additional magnesium. In batch experiments, a low pH of the suspensions (pH ≤ 10) destabilized C-S-H or prevented its formation and favored the precipitation of M-S-H. Detailed investigations showed that small amounts of calcium could be incorporated in M-S-H (Ca/Si ≤0.10), such that also calcium containing end-members were added to the M-S-H solid-solution. At pH ≥ 10-10.5, two separate silicate phases coexist: C-S-H and M-S-H. The interface between a simplified “low-pH” binder mimicked by C-S-H with Ca/Si = 0.8 and a magnesium-rich environment mimicked by M-S-H with Mg/Si = 0.8 confirmed these phenomena. SEM-EDS observations and reactive transport modelling using the thermodynamic data derived in the batch experiments showed the fast deterioration of the C-S-H and the precipitation of M-S-H in the C-S-H disk at the interface and a homogeneous uptake of calcium in the M-S-H disk.The increase of pH favors the sorption. M-S-H with a sodium uptake up to Na/Si ~ 0.20 and without brucite formation were observed at high pH (12.5). The sorption on M-S-H was favored in the order Na+ < Mg2+ < Ca2+. Finally, aluminum was incorporated into M-S-H to form magnesium alumino-silicate hydrate (M-A-S-H). An Al/Si ratio up to 0.2 was observed in presence of sodium aluminate or metakaolin. 27Al MAS NMR data showed that aluminum was present in both tetrahedral and octahedral sites of M-(A-)S-H. The M-(A-)S-H formed had a similar structure as M-S-H with a comparable polymerization degree of the tetrahedral silicates and a similar surface charge.