Les objectifs de cette thèse sont de mieux comprendre le phénomène d’autocicatrisation naturelle et d’initier une démarche en vue de proposer des approches technologiques pratiques, fiables et peu couteuses qui permettront d’optimiser et de favoriser le potentiel d’autocicatrisation des bétons et des matériaux cimentaires en général. Les approches proposées consistent à introduire, dans les formulations des matériaux cimentaires, des réactifs internes latents qui permettront d’augmenter le potentiel d’autocicatrisation par différents mécanismes. Trois types de réactifs sont étudiés; des ajouts cimentaires riches en chaux libre, des ajouts granulés riches en ciment anhydre et/ou en chaux libre et des micro-granulats de verre riches en silice amorphe. L’ajout des ajouts cimentaire et des granulés visent à augmenter le potentiel d’autocicatrisation par carbonatation. L’ajout des micro-granulats de verre a pour objectif de créer, dans les fissures un gel silico-calcaire alcalin expansif. Il en ressort que l’augmentation de la teneur en portlandite de la matrice en ajoutant de réactifs riches en chaux libre augmente considérablement le potentiel d’autocicatrisation de fissures larges (>200 µm). L’ajout de granulés faiblement hydratés à base de ciment ou de ciment avec agent expansif à base de chaux libre confère aux mortiers une capacité de cicatrisation accrue. La formation de gel expansif dans les fissures suite à l’activation de la réaction alcali-silice des micro-granulats de verre ne confère pas à la matrice cimentaire un fort potentiel d’autocicatrisation entre 0 et 12 mois.

Les outils d’analyse actuellement utilisés pour caractériser la dégradation multi-échelle du béton par la réaction alcali-silice (RAS) présentent certaines limites manifestes à un diagnostic précis : à l’échelle macroscopique, ils montrent généralement une faible sensibilisé à la microfissuration progressive du béton ; aux échelles microscopique et mésoscopique, le recours systématique à la microscopie limite la représentativité et la quantification des observations réalisées. Cette thèse propose d’évaluer la contribution de paramètres physico-chimiques (mesure de l’altération de la silice réactive) et non destructifs (caractérisation du comportement élastique non linéaire du béton) vis-à-vis de la détection et de la quantification des dommages causés dans le béton par la RAS. Des essais réalisés sur des bétons fabriqués en laboratoire et contenant du calcaire Spratt ont mis l’accent sur l’intérêt des paramètres proposés pour la détection précoce de la RAS dans le béton : les analyses physico-chimiques ont permis d’apporter des informations quantitatives sur les variables d’avancement de réaction qui se caractérisent par une augmentation du taux de silanols et du volume apparent de la silice réactive ; la microfissuration générée par le gonflement du squelette granulaire a pu être suivie par le paramètre non linéaire de décalage fréquentiel avec une sensibilité plus de dix fois supérieure à celle des paramètres linéaires (propriétés mécaniques, acoustique linéaire). Une étude réalisée sur des carottes extraites d’un ouvrage en service (essais d’expansion résiduelle) valide l’applicabilité des méthodes pour un cas d’étude réel. / Monitoring tools currently used to characterize multi-scale degradation of concrete by alkali-silica reaction (ASR) show some obvious limitations to an accurate diagnosis. Macroscopic scale tools usually show a low sensitivity to progressive microcracking in concrete. From microscopic and mesoscopic points of view, the systematic use of microscopy limits the representativeness and quantification of observations made. This thesis evaluates the contribution of physicochemical parameters (deterioration of the reactive silica) and non-destructive testing (characterization of nonlinear elastic behaviour of concrete) for detecting and quantifying deterioration caused by ASR in concrete. A laboratory study on concrete containing Spratt limestone as coarse aggregate was performed to compare the physicochemical and nonlinear parameters to more commonly used ones for ASR damage assessment (swelling of concrete, petrographic examination, compressive strength, tensile strength, static and dynamic modulus of elasticity, ultrasonic pulse velocity). Physicochemical analysis allowed to measure early impairment of reactive silica, quantified by an increasing quantity of silanols and an increase of its apparent volume. The microcracking caused by the granular skeleton swelling could be monitored by the frequency shift linear parameter with a ten times higher sensitivity than linear parameters. Tests were also performed on concrete samples extracted from a lock affected by ASR (with reactive aggregate similar to Spratt limestone) and allowed to confirm the interest of the proposed parameters on a real case study.

La réaction alcali-silice est une réaction endogène du béton qui peut contribuer à diminuer la durée de vie d'ouvrages coûteux. La modélisation est nécessaire pour pouvoir évaluer la durée de vie restante des ouvrages atteints. L'alcali-réaction provoque un gonflement du béton dû à une fissuration microscopique sous pression de produits de réaction qui sont des gels gonflant par absorption d'eau. Si le béton est chargé, la fissuration microscopique se développe en fonction du chargement local du béton, ce qui induit une anisotropie de comportement et de déformation du béton. L'objectif de notre travail est de simuler, à partir d'hypothèses simples sur les mécanismes réactionnels en jeu, pour une classe de granulats à réactivité rapide, le déroulement de la fissuration du béton au niveau microscopique, de façon à estimer les déformations et les propriétés mécaniques du béton attaqué. Nous utilisons pour cela une description micromécanique du béton qui nous permet de calculer les propriétés mécaniques et les déformations en fonction de l'état de fissuration, et un critère énergétique de fissuration de façon à faire évoluer l'état de fissuration. Le fonctionnement du modèle est testé sur de nombreux cas qui font apparaître que l'utilisation d'un critère de rupture énergétique en micromécanique est bien adaptée à l'alcali-réaction. L'identification des paramètres du modèle sur des essais en laboratoire donne de bons résultats pour des chargements en dessous de 10 MPa, mais conduit à des estimations très élevées des énergies mécaniques. Le modèle a en effet une tendance à surestimer l'anisotropie du gonflement qui est compensée par l'augmentation de l'énergie surfacique de fissuration

La réaction alcali-silice est une réaction endogène du béton qui peut contribuer à diminuer la durée de vie d'ouvrages coûteux. La modélisation est nécessaire pour pouvoir évaluer la durée de vie restante des ouvrages atteints. L'alcali-réaction provoque un gonflement du béton dû à une fissuration microscopique sous pression de produits de réaction qui sont des gels gonflant par absorption d'eau. Si le béton est chargé, la fissuration microscopique se développe en fonction du chargement local du béton, ce qui induit une anisotropie de comportement et de déformation du béton. L'objectif de notre travail est de simuler, à partir d'hypothèses simples sur les mécanismes réactionnels en jeu, pour une classe de granulats à réactivité rapide, le déroulement de la fissuration du béton au niveau microscopique, de façon à estimer les déformations et les propriétés mécaniques du béton attaqué. Nous utilisons pour cela une description micromécanique du béton qui nous permet de calculer les propriétés mécaniques et les déformations en fonction de l'état de fissuration, et un critère énergétique de fissuration de façon à faire évoluer l'état de fissuration. Le fonctionnement du modèle est testé sur de nombreux cas qui font apparaître que l'utilisation d'un critère de rupture énergétique en micromécanique est bien adaptée à l'alcali-réaction. L'identification des paramètres du modèle sur des essais en laboratoire donne de bons résultats pour des chargements en dessous de 10 MPa, mais conduit à des estimations très élevées des énergies mécaniques. Le modèle a en effet une tendance à surestimer l'anisotropie du gonflement qui est compensée par l'augmentation de l'énergie surfacique de fissuration / The alkali-silica reaction is an endogenous chemical reaction affecting concrete. Therefore, it is important to model the effects of the reaction so as to estimate the life span of the attacked structures. The reaction leads to a microscopic cracking, due to the pressure of the reaction products which swell by absorption of water, inducing swelling of the concrete. If the concrete is mechanically loaded, the orientation of the microscopic cracking is affected by the local stress state, which induces anisotropy of the mechanical properties and deformations of the concrete. Our work aims at simulating, starting from simple assumptions about the reaction mechanisms, and for a class of fast-reacting aggregates, the development of cracking at the microscopic scale, so as to estimate the deformations and mechanical properties of the attacked concrete. In this purpose, we use a micromechanical description of the concrete, thanks to which we can compute the mechanical properties and deformations from the state of cracking of the concrete. In addition to that, we use an energy fracture criterion to determine the evolution of cracking as the attack progresses. We tested our model on numerous cases. These tests show that this description is well adapted to studying alkali-silica reaction. The identification of the parameters using laboratory experiments yielded good results as far as compression stresses are below 10 MPa. However, the fracture energies identified are greater than accepted values for concretes. We think that our model overestimates the anisotropy of the reaction, which is balanced by higher fracture energies in the identification

Ce travail a permis de proposer un modèle de gonflement multi-échelle pour des calcaires siliceux soumis à la réaction alcali-silice. En présence de portlandite et de base alcaline, l'attaque du réseau siliceux par les ions hydroxyles favorise l'accumulation de tétraèdres silicates Q3 à l'origine du gonflement chimique des inclusions siliceuses. De part leur confinement dans la matrice carbonatée, leur expansion conduit au gonflement des calcaires siliceux, eux-même entraînant le gonflement des éprouvettes béton. L'influence de la texture de la matrice carbonatée apparaît comme un paramètre important dans la transmission des contraintes générées par les inclusions siliceuses à la matrice poreuse ciment.<br /><br />La présence d'un effet de pessimum dans les calcaires siliceux a été mise en évidence sur des formulations béton à base de sable et de gravillons calcaires siliceux réactifs. Un modèle chimique basé sur le gonflement du sable réactif et la fixation non expansive d'une part des alcalins par les tétraèdres silicates Q3 initiaux des gravillons décrit bien le phénomène observé.

L'emploi des granulats classés " potentiellement réactifs " vis-à-vis de la réaction alcali-silice implique de prendre des précautions très contraignantes pour les producteurs comme pour les maîtres d'ouvrages suivant les recommandations actuelles. D'où la nécessité de trouver des voies de valorisation plus judicieuses. La piste suivie dans cette thèse est la mise au point des formulations de béton présentant un risque faible d'expansion avec des granulats calcaires siliceux dits " potentiellement réactifs " mais qui peuvent présenter un effet pessimum. Les travaux réalisés ont d'abord permis de quantifier la réactivité de granulats calcaires siliceux mais aussi silex grâce à des études en milieu modèle. En couplant ces résultats avec ceux des mesures d'expansion linéiques, il apparaît que les bétons confectionnés avec un sable et des gravillons suffisamment " riches " en silice libre réactive (supérieure à 5%) gonflent moins que ceux dont seul le sable ou les gravillons sont réactifs, mettant ainsi en évidence l'apparition d'un effet pessimum. En revanche, dans le cas des matériaux " pauvres " en silice réactive (inférieure à 5%) la réduction de l'expansion ne s'observe plus. Il a été montré que, grâce à un processus de neutralisation non délétère pour le béton, les phases siliceuses réactives sont capables de fixer des alcalins sans être dégradées, au travers des silanols initiaux, jusqu'à un certain seuil. Au-delà, l'altération des phases siliceuses s'opère et entraine le gonflement des bétons. L'augmentation de la température de cure de 38 à 60°C a permis l'observation d'une diminution de 30 à 50% de l'expansion et l'apparition d'un effet pessimum pour les bétons à base de granulats " pauvres " en silice réactive pour les formulations présentant un sable et des gravillons réactifs par rapport à ceux dont seul le sable ou les gravillons sont réactifs. Ce changement s'expliquerait par une compétition entre un mécanisme non délétère de neutralisation des alcalins (favorisé à 60°C) et le processus de dégradation de la silice consécutive à une forte concentration locale des alcalins (favorisé à 38°C). La compétition entre ces deux mécanismes est due à un écart de diffusion des alcalins à l'intérieur du réseau siliceux. Les résultats de cette étude contribuent à l'amélioration des connaissances des mécanismes réactionnelles mis en jeu et à l'ouverture de futurs développements permettant de pouvoir envisager des formulations qui respecterons le seuil en alcalins dans les granulats calcaires siliceux et donc d'obtenir des bétons durables.

Les principaux objectifs de cette thèse étaient d'évaluer la formulation et la durabilité des géopolymères à base de métakaolin utilisés comme liants dans des matériaux de construction. Les géopolymères sont des matériaux à activation alcaline faisant l'objet d'études de plus en plus nombreuses de la communauté internationale car ils représentent une alternative aux ciments Portland traditionnels. La première partie de cette étude a donc été dédiée à la formulation de ces matériaux réalisés exclusivement à partir de métakaolin flash et de silicate de sodium et a permis de mettre en évidence des performances comparables à un CEM I 52.5. Une caractérisation physico-chimique ainsi qu'une étude du réseau poreux a souligné les différences entre ces deux matériaux et a permis l'élaboration d'une base de donnée sur les caractéristiques du matériau. La réalisation de béton, allant jusqu'à la fabrication en usine de préfabrication, a montré la capacité des géopolymères à remplacer totalement les liants hydrauliques connus, en terme de mise en œuvre et de performances mécaniques. Les questions de durabilité liées au fort taux d'alcalins dans cette matrice ont été traitées par des études sur la réaction alcali-silice et sur la carbonatation. Les résultats obtenus ont permis de conclure que la réaction alcali-silice ne serait pas préjudiciable dans une matrice de métakaolin activé par du silicate de sodium, et que la réaction très rapide des alcalins de la solution interstitielle des pâtes de géopolymère avec le CO2 atmosphérique ne conduirait pas à une chute de pH significative, préjudiciable dans les matrices cimentaires, mais faciliterait l'apparition d'efflorescences. / The main objectives of this thesis were to assess the formulation and durability of metakaolin-based geopolymers as a binder for civil engineering materials. Geopolymers are alkali-activated materials; they are increasingly studied by the international community as they represent an alternative to traditional Portland cement. The first part of this study has been dedicated to the formulation of these materials, exclusively made from flash metakaolin and sodium silicate, which has shown performances comparable to a CEM I 52.5. A physicochemical characterization and a study of the porous network have highlighted differences between these two materials and allowed developing a database on the characteristics of the material. The achievement of concrete, up to precast plant, showed their ability to completely substitute known hydraulic binders, in terms of workability and compressive strength. Durability issues related to the high alkali content in this matrix were assessed by studies on alkali-silica reaction and carbonation. The results obtained have concluded that the alkali-silica reaction would not be detrimental in a matrix of metakaolin activated by sodium silicate, and that the very rapid reaction of the alkalis in the geopolymer pastes pore solution with atmospheric CO2 do not lead to a significant drop of the concrete pH, which could be detrimental in cement matrix, but could lead to the appearance of efflorescence on the surfaces of geopolymer.

La réaction alcali-silice (RAS) est une pathologie des bétons engendrant des désordres et dégradations irréversibles au niveau d'ouvrages de divers types (ponts, barrages, trottoirs, etc.). C'est une réaction chimique entre les alcalins contenus dans la pâte de ciment et la silice contenue dans certains granulats utilisés lors de la confection du béton. Bien que des recommandations existent afin d'éviter le développement de cette pathologie, la modélisation numérique des effets de la réaction alcali-silice sur la tenue mécanique du béton reste un enjeu de première importance pour le génie civil. L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension et la modélisation des phénomènes chimiques, mécaniques et de leurs interactions lors de la RAS. Une modélisation a d'abord été élaborée afin de rendre compte de la chimie de la réaction alcali-silice. Ce modèle analytique est un modèle couplé à deux variables qui sont les champs de concentration en alcalins et en silice. Il permet de connaître à chaque instant de la réaction et en tout point d'une éprouvette la concentration des différentes espèces. La cinétique de la réaction est aussi prise en compte via un paramètre, la constante cinétique, qui pourra être identifiée numériquement. Afin de coupler chimie et mécanique, ce modèle a été implémenté dans l'outil numérique FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) qui simule le comportement mécanique tridimensionnel des matériaux quasi-fragiles tels que les bétons. C'est une approche mésoscopique qui a été adoptée où le béton est considéré comme un matériau biphasé composé de granulats agglomérés dans une pâte de mortier. Le modèle non local de Mazars avec formulation implicite est implémenté dans cet outil pour rendre compte du comportement élastique endommageable de la pâte de mortier tandis que les granulats sont considérés comme ayant un comportement purement élastique. Le modèle chimique a ensuite été couplé au modèle mécanique afin de rendre compte des effets de la RAS sur le comportement du béton. Il a été considéré une approche dite de gonflement granulaire dans laquelle ce sont les granulats eux-mêmes qui gonflent dans la pâte de mortier et non le gel formé par la réaction. Le couplage inverse, c'est-à-dire l'influence de la dégradation mécanique du béton sur l'avancement de la réaction, a aussi été modélisé par une loi simple mais facilement évolutive. Le modèle complet a pu être validé grâce à différentes campagnes expérimentales et de nombreuses études de sensibilité ont donc été réalisées afin de mieux comprendre l'influence des différents paramètres mis en jeu dans la réaction.

Une approche multi-technique et multi-échelle a été élaborée pour l'étude des propriétés structurales des matériaux hétérogènes. Différentes techniques ont été utilisées parmi lesquelles nous pouvons citer : La microscopie Electronique à Balayage Environnementale équipé en microanalyse X, la Diffraction des Rayons X, la spectroscopie d'absorption X (EXAFS et XANES) et la Résonance Magnétique Nucléaire. La corrélation entre les résultats obtenus à différentes échelles (grandes, moyennes et courtes distances) nous a permis d'avancer dans la compréhension des mécanismes de l'altération structurale d'un granulat SiO2 soumis à la réaction Alcali-Silice. A grandes distances, les changements structuraux apparaissent par la réduction de la taille des grains et par la formation d'une phase amorphe, accompagnée d'un accroissement de la cristallinité de la phase cristallisée. Cela a permis de montrer que l'attaque se déroule préférentiellement dans les zones amorphes et/ou mal cristallisées. D'après la RMN, la phase amorphe formée durant la réaction est constituée d'un mélange de silanols et de silice amorphe. Ce produit, à la composition variable en fonction du temps de réaction, apparaît favorable à la formation de gels de type CSH dans le granulat. A courtes distances, la première couche de coordination autour des atomes de silicium montre un accroissement de l'ordre dans les tétraèdres. Ce phénomène pourrait être dû à la relaxation des liaisons Si-O. Ce résultat est en accord avec la présence de silice amorphe, et le phénomène pourrait être accentué par la présence de silanols. La deuxième couche de coordination autour du silicium demeure presque inchangée. Ces résultats permettent de relancer la discussion sur la validité du déroulement de l'étape d'initiation de la réaction.

La Réaction Alcali-Silice (RAS) est une réaction chimique de dégradation des bétons occasionnant des désordres irréversibles au niveau de l'ouvrage. La modélisation de l'endommagement et de la fissuration d'une structure en béton tridimensionnelle victime de la RAS est donc de première importance en génie civil. Le logiciel FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) a été développé dans ce cadre, afin de modéliser le comportement mécanique tridimensionnel des matériaux quasi-fragiles tels que les bétons. Dans cette thèse, nous avons développé une approche mésoscopique où le béton est considéré comme un matériau biphasé en présence de granulats et d'une pâte de mortier. Le modèle non local de Mazars avec formulation implicite a ainsi été implémenté et validé dans notre code Eléments Finis pour rendre compte du comportement élastique endommageable de la pâte de mortier. Nous abordons ensuite l'identification des paramètres élastiques et d'endommagement de ce modèle. Une attention particulière est portée à la campagne expérimentale menée au département Génie Civil de l'Ecole des Mines de Douai. Ces résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques via le module d'analyse inverse "RheOConcrete ". Des tests de compression, flexion trois points, essais brésiliens ont été ainsi réalisés. Les exemples d'applications proposés montrent l'influence du volume, de la répartition et du diamètre des granulats sur le comportement du béton. Nous utilisons ces résultats pour analyser les conséquences mécaniques de la RAS sur une éprouvette en béton. Les résultats numériques d'un béton soumis à un gonflement granulaire sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus à l'Ecole des Mines de Douai. Cela permet de vérifier non seulement la cohérence du modèle numérique mais aussi de mieux comprendre l'influence de certains paramètres sur le mécanisme de la RAS. Enfin, nous soulignons l'importance de décrire avec précision les macrofissures générées par la réaction chimique. La dernière partie du mémoire concerne l'implémentation et la validation de la fissuration discrète en trois dimensions.