Les mortiers projetés sont formulés de manière très complexe, afin de notamment répondre aux exigences imposées par leur procédé de mise en place. La caractérisation et l’interprétation des leurs propriétés rhéologiques représentent ainsi un grand challenge, faisant appel à diverses thématiques de la matière molle : suspensions granulaires, dispersions colloïdales, solutions de polymère, mousses, etc. Nous considérons l’influence de divers paramètres de formulation, toutefois, le cœur de cette étude concerne l’influence des épaississants organiques, en particulier les éthers de cellulose (EC). Ces polysaccharides sont utilisés dans la pratique principalement pour leurs propriétés de rétention d’eau, mais ils ont également un fort impact sur la rhéologie. Nos résultats montrent que les EC augmentent considérablement la consistance du mortier, mais leur influence sur le seuil d’écoulement est plus complexe : celui-ci augmente pour les faibles dosages puis diminue jusqu’à s’annuler pour des dosages élevés. L’impact de l’EC sur la rhéologie du mortier a été relié à son influence sur les propriétés de la solution aqueuse interstitielle, en invoquant notamment ses aspects associatifs. La rhéologie est influencée par des facteurs externes (température, ajout de tensioactif) ainsi par la structure chimique du polymère. Avec la rhéologie oscillatoire, nous avons analysé l’impact de certains types d’épaississants sur l’organisation microstructurale du mortier. Nous avons établi une corrélation nette entre propriétés viscoélastiques et rétention d’eau. Plus l’épaississant augmente, plus les aspects dissipatifs augmentent et plus la rétention d’eau s’améliore. / Machinery rendering mortars are characterized by a highly complex mix-design, due to several requirements related to their placement process that need to be fulfilled. It is therefore a challenge to characterize their rheological properties. Indeed they display most of the features encountered in the field of soft matter. We consider the influence of several mix-design parameters on most of the fresh state properties of the mortars. However the main focus is the impact of organic thickening admixtures, in particular cellulose ethers (CE), on the rheological behavior. These admixtures are used for their water retention capacity, yet they have also a high impact on the rheological properties. CEs significantly increase the consistency, while their effect on the yield stress is more complex: when increasing CE dosage rate the yield stress first increases, and then decreases beyond a critical dosage rates. The impact of CE on the mortar rheological behavior is discussed in relationship to its effect on the properties of the interstitial aqueous solution. The associative feature of the CE polymer is particular referred to explain our results. Several parameters that may affect this property are considered. Small amplitude oscillatory shear rheology is used to probe mechanically the influence of CEs on the microstructure of the mortar. By comparing the effect of different thickening admixtures on the viscoelastic properties of the mortars a clear correlation between these properties and water retention is established. The more the admixture introduces viscous dissipation as compared to elasticity into the system, the more it increases its water retention capacity.

Les éthers de cellulose sont systématiquement introduits dans les formulations des mortiers industriels. Les conséquences macroscopiques de ces adjuvants sur la réaction d'hydratation du ciment sont parfaitement connues, mais elles n'en restent pas moins inexpliquées. Ce projet a été initié afin d'accroître notre compréhension des interactions organo-minérales intervenant dans les mortiers.<br />Pour ce faire, le mode d'action de l'éther de cellulose sur la cinétique d'hydratation du ciment a été élucidé. Contrairement à la masse moléculaire du polymère, le degré de substitution des groupements greffés sur la molécule est le paramètre clef. En outre, les éthers de cellulose apparaissent très stables en milieu alcalin. Ainsi, les produits de dégradation de type carboxylate sont en trop faible concentration pour induire le retard d'hydratation constaté. Finalement, il apparaît que les éthers de cellulose ont un impact mineur sur la dissolution des différentes phases anhydres. Au contraire, ces adjuvants présentent un effet important sur la germination-croissance de certains hydrates comme les hydroaluminates de calcium, l'hydrosilicate de calcium et la portlandite.

L'étude comporte une grande partie dédiée aux nouveaux développements expérimentaux. Le tensiomètre développé au laboratoire a subi une amélioration essentielle. Les mesures directes de la succion au laboratoire et in situ ont démontré sa fiabilité et confirmé la possibilité de longues durées de mesure directes. Les mesures directes de la succion ont permis la détermination de la courbe de rétention d'eau du limon. La méthode des profils instantanés a permis de déterminer la perméabilité l'état non saturé en utilisant des essais d'infiltration. Les comparaisons faites entre les valeurs calculées l'aide d'un modale et celles mesurées pour les principaux paramètres pris en compte (succion, teneur en eau volumique) ont permis de démontrer l'aptitude du modèle reproduire de façon satisfaisante l'état du sol. On a étudié aussi les propriétés de rétention et de variation de volume de l'argile verte de Romainville pour des succions entre 1 et 216 MPa.

L'ajout d'adjuvants dans les mortiers permet d'obtenir diverses propriétés selon lesperformances souhaitées. Les polysaccharides sont utilisés pour améliorer la capacité derétention d'eau et le comportement rhéologique du mortier. Cependant, ils engendrent unretard de prise du ciment et représentent un poids économique considérable. Il apparaît doncque la compréhension de l'interaction entre les polysaccharides et le ciment est nécessaire.Etant donné que les comportements sont différents selon le type de polysaccharide, l'étuded'une nouvelle famille de polysaccharides constitue un axe de recherche majeur. Leshydroxypropylguars (HPG) ont été choisis car ils ont été présentés comme de très bonsagents rétenteurs d'eau et sont déjà utilisés industriellement.Il s'avère que les HPG confèrent effectivement aux mortiers d'excellentes propriétés derétention d'eau. Le mécanisme de rétention d'eau est attribué à la formation d'agglomératsqui, au-delà d'une concentration critique, bouchent le réseau poreux à l'interface mortier-substrat.De plus, ces molécules ralentissent nettement la cinétique d'hydratation du cimenten modifiant la croissance des hydrates par adsorption. Les HPG augmentent également la contrainte seuil de cisaillement et la consistance des mortiers. Toutes cespropriétés diffèrent lorsque les HPG sont introduits pré-dissout dans l'eau de gâchée. Uneméthodologie de fragmentation par ultra-sons des polysaccharides a été développée dans lebut d'étudier l'impact de leur masse moléculaire sur les propriétés des mortiers à l'état frais.Sur tous ces aspects, le comportement des HPG a été comparé à celui des éthers de cellulose,adjuvants rétenteur d'eau de référence.

Les étanchéités composites sont utilisées pour limiter la migration des lixiviats à travers les barrières d'installations de stockage de déchets. Leur efficacité est étroitement liée à la géomembrane car cette ci agit comme une barrière primaire contre le transport diffusif et advectif des contaminants. Un point essentiel pour une bonne performance des géomembranes est la bonne qualité des soudures entre les lés de géomembranes ainsi que l'absence de défauts. Dans les barrières d'installations de stockage de déchets, où des géomembranes en polyéthylène haute densité sont le plus couramment utilisées, les soudures sont souvent effectuées par la méthode du double cordon. Une synthèse de la littérature sur le contrôle de la qualité des soudures, a démontré que, sur site, l'étanchéité des soudures est évaluée en termes qualitatifs (critères d'admission/défaillance), malgré leur importance pour assurer la performance adéquate des géomembranes en tant que barrières. D'autre part, une synthèse des études sur les défauts dans les géomembranes a démontré que leur densité est comprise en moyenne entre 0,7 à 15,3 par hectare dans les barrières d'installations de stockage de déchets. Les défauts représentent des passages préférentiels d'écoulement pour les lixiviats. Plusieurs auteurs ont développé des solutions analytiques et des équations empiriques pour prévoir l'écoulement au travers des étanchéités composites dus à des défauts dans la géomembrane. La validité de ces équations pour les étanchéités composites comportant une géomembrane associée à un géosynthétique bentonitique (GSB) placé sur une couche d'argile compactée (CCL) n'a jamais été étudiée, du point de vue expérimental. Une méthode d'essai a été élaborée pour évaluer la qualité des soudures effectuées par la méthode du double cordon, ici désignée comme "essais de perméabilité au gaz sur poche". Cet méthode d'essai consiste à pressuriser le conduit d'air résultant de l'élaboration du double cordon avec un gaz jusqu'à une pression spécifique et mesurer la réduction de la pression au cours du temps. A partir de la réduction de la pression on peut estimer les coefficients de perméation au gaz, en régime permanent, ainsi que la constante de temps, en régime transitoire. Des essais ont été effectués à la fois au laboratoire, et en extérieur avec des soudures exposées, pour étudier l'adéquation de cet essai à l'évaluation de la qualité des soudures sur site. Les résultats obtenus suggèrent qu'il est possible d'évaluer la qualité des soudures de géomembrane à partir d'un essai non-destructif effectué sur site moyennant la détermination de la constante de temps. Des essais à trois échelles différentes ont été réalisés avec des étanchéités composites comportant une géomembrane avec un trou circulaire surmontant un GSB pour étudier le problème de la migration des liquides au travers des défauts dans la géomembrane. Les débits à l'interface entre la géomembrane et le GSB ont été mesurés et la transmissivité de l'interface correspondante a été estimée. Une étude paramétrique a été effectuée pour évaluer l'influence de la pré-hydratation du GSB, de la charge hydraulique et de la contrainte mécanique appliquées sur l'étanchéité composite, ainsi que pour évaluer la viabilité de l'extrapolation des résultats obtenus dans des essais à petite échelle aux conditions de terrain. On a observé que la transmissivité ne semble pas être affectée par la pré hydratation des GSB quand des contraintes de confinement réduites ont été utilisées. La transmissivité ne semble pas non plus être influencée par l'augmentation de la contrainte de confinement quand on utilise des GSB, qui n'ont pas été préalablement hydratés. Finalement, la transmissivité ne semble pas être significativement affectée par l'augmentation de la charge hydraulique. Les résultats suggèrent aussi que les prévisions relatives aux débits au travers des étanchéités composites liés à l'existence de défauts dans la géomembrane, et basées sur les valeurs de transmissivité obtenues dans des essais à petite échelle représentent la limite supérieure des débits pouvant être observés. Finalement, à partir des valeurs de transmissivité obtenues dans cette étude, on a développé des équations empiriques pour prévoir le débit au travers des étanchéités composites comportant une géomembrane, un GSB et une CCL. Les débits calculés en utilisant les nouvelles équations proposées sont plus proches des résultats de mesure que les équations empiriques existantes. Ces nouvelles équations empiriques représentent donc pour l'ingénieur un outil validé par l'expérimentation de prévision des débits à travers les étanchéités composites.

Dans le contexte du stockage géologique des déchets radioactifs, ce travail contribue à la caractérisation de l'effet de l'endommagement diffus sur les propriétés de rétention d'eau et transfert de gaz (perméabilité et percée de gaz). Les matériaux considérés sont les bétons CEM I et CEM V sélectionnés par l'Andra, l'argilite du Callovo-Oxfordien (roche hôte) et les interfaces argilite/béton. Cette étude a fourni des informations sur la microstructure des bétons à partir de leurs propriétés de rétention d'eau mais également à partir de la porosimétrie au mercure. Chaque béton a une microstructure bien distincte, caractérisée par une proportion non négligeable de pores capillaires pour le CEM I et une grande proportion de pores des hydrates pour le CEM V. Plusieurs protocoles d'endommagement ont été développés. L'endommagement contribue à réduire la capacité de rétention d'eau du béton CEM I et à augmenter leur perméabilité au gaz. En revanche, tous les échantillons endommagés présentent une pression de percée au gaz significativement plus faible que celles des matériaux sains, et ceci quel que soit le type de béton. Pour l'argilite, on observe une prise d'eau progressive à HR=100%, qui engendre un endommagement du matériau. Ce dernier réduit sa capacité de rétention d'eau. Par ailleurs, ses propriétés de rétention d'eau et de transport de gaz dépendent fortement de son état hydrique initial ainsi que de son endommagement. Enfin, on observe un phénomène de colmatage au niveau des interfaces, d'abord mécanique, puis hydraulique (et surement chimique) suite à l'injection d'eau. Ceci a pour conséquence de réduire la pression de percée des échantillons d'interface.

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

Le présent travail étudie le comportement des barrières ouvragées d'argile gonflante compactée proposées pour le stockage des déchets radioactifs en grande profondeur sous des sollicitations thermo-hydro-mécaniques. La bentonite MX80 a été choisie pour cette étude. Premièrement, une étude expérimentale sur la conductivité thermique de la bentonite compactée a été réalisée. Cette étude a mis en évidence l'effet de la masse volumique sèche, de la teneur en eau, de la fraction volumique des composants du sol, de la microstructure et de la minéralogie. Cette étude expérimentale a donné lieu à la proposition d'un modèle théorique pour estimer la conductivité thermique des bentonites compactées. Deuxièmement, après une étude sur l'étalonnage de la succion générée par solution saline saturée en fonction de la température, on a réalisé les essais de détermination de la courbe de rétention d'eau à différentes températures. Les résultats expérimentaux ont montré une réduction de la capacité de rétention d'eau du sol due à l'échauffement. Cet effet a été ensuite simulé par une modélisation simple basée sur la tension surfacique eau-air. Troisièmement, une nouvelle cellule isotrope permettant un contrôle simultané de succion, de température, et de contrainte mécanique a été développée. Avec cette cellule, une étude expérimentale sur le comportement thermo-mécanique de la bentonite compactée non-saturée a été réalisée. Finalement, un modèle a été proposé pour simuler les comportements thermo-hydro-mécaniques observés expérimentalement.

Les éthers de cellulose (EC) sont des agents rétenteurs d'eau très utilisés dans les matériaux de construction: ils limitent fortement la perte d'eau due principalement à l'absorption dans le substrat pendant la cure, favorisant ainsi les réactions d'hydratation du ciment nécessaires à la prise qui assurent de bonnes propriétés mécaniques pour le matériau final. Cependant les causes exactes de ce phénomène de rétention d'eau restent encore incomprises à ce jour. Dans ce travail de thèse, afin d'analyser les mécanismes de la rétention, nous tentons de mieux comprendre pourquoi et comment les transferts hydriques sont modifiés en présence d'EC. Dans un premier temps, nous montrons, grâce à des tests de filtration et par les méthodes usuelles de caractérisation (microscopie, diffusion de la lumière) que les EC en solution forment des agrégats polydisperses de plusieurs dizaines de microns de diamètre. Nous montrons ensuite qu'une solution d'EC passant à travers un matériau poreux modèle (tamis) bouche progressivement ce tamis, même si la taille de maille est nettement supérieure à celle des agrégats, du fait d'un effet de blocage statistique. Cet effet de coincement se produit également lors de l'écoulement à travers un milieu poreux 3D (empilements de billes de verre), ce qui conduit à l'arrêt du fluide après une certaine hauteur de pénétration dans le milieu. Enfin, en revenant aux tests standards de rétention avec le matériau réel (mortier) puis en les comparant au test de filtration à travers un tamis nous montrons que ce dernier est un bon test alternatif qui permet de caractériser la capacité de rétention des EC / In building materials, such as mortars, cellulose ethers (CE) are used as water-retention agents. They prevent the loss of water due to absorption into the substrate during curing stage. They maintain wet conditions for proper hardening and final properties. However, the cause of retention remains unknown. First, we show through filtration tests and usual characterization methods (microscopy, light scattering) that CE solutions are composed of polydisperse aggregates of several tens of microns in diameter. We then show that a CE solution passing through a model porous medium (sieve) progressively block the sieve, even if the mesh size is much larger than the aggregates diameter, due to a statistical effect of blocking. This jamming effect also occurs during the flow through a 3D porous medium (stacks of glass beads), which led to the stopping of the fluid after a certain penetration depth of the medium. Finally, coming back to the retention standard tests with the real material (mortar) and comparing them to the filtration test we show that the latter is a good alternative test to characterize the CE retention capacity

Cette thèse étudie la rétention d’eau à haute HR et le retrait sous température modérée des bétons CEMI et CEMV de l’Andra, en lien avec leur microstructure.Pour étudier l’origine des variations de Sw à haute HR, du béton est séché à HR= 92-100%. Pour les deux bétons, l’échantillonnage influe significativement sur Sw. Pour le CEMI, à HR=100%, la taille joue aussi, en lien avec un mécanisme de séchage par désorption de surface ; à HR=92&98%, ce béton n’est plus sensible aux effets de surface ; il est sensible aux conditions expérimentales. Pour le CEMV, l’effet de la taille existe quelle que soit l’HR, mais il est peu sensible aux conditions expérimentales.A partir de 60°C, le retrait de dessiccation présente quatre phases en fonction de la perte de masse relative. Pour le béton CEMI séché jusqu’en phase 3 ou 4, la possible rigidification de la matrice solide est investiguée par un essai couplé de poro-élasticité et transport de gaz. Pour un même échantillon en phase 3 puis en phase 4, on mesure une légère augmentation du Ks ; la perméabilité au gaz est significativement plus sensible au confinement. Par contre, la rigidification du matériau est limitée en comparaison de l’effet d’échantillonnage.Au MEB, les phases et la morphologie des bétons sont quantifiées. Le CEM I et le CEM V ont des phases solides identiques, mais le CEM V comprend des phases spécifiques (ajout de laitiers et cendres volantes). Les C-S-H du CEM V ont un rapport C/S globalement plus bas que le CEM I. Ce rapport reste similaire pour trois gâchées différentes. Par contre, l’occurrence de pores millimétriques varie significativement, du fait de modes de mise en oeuvre sensiblement différents / This thesis focuses on water retention at high relative humidity (RH) (92-100%) and dessiccation shrinkage under moderate temperature (60-80°C) for two high performance concretes CEMI and CEMV (from Andra), in relation with their microstructure.To investigate the origins of the variations in water saturation degree Sw at high RH, both concretes are dried at RH=92, 98 and 100%, from the fully saturated state. For both concretes, sampling affects significantly Sw. For CEMI at 100%RH, sample size also affects Sw, due to surface drying (desorption); at 92 and 98%RH, CEMI is no longer sensitive to surface drying effects; it is sensitive to experimental conditions (RH, T). CEMV is affected by sample size whatever the RH, but not by experimental conditions.From 60°C drying temperature, the relationship between shrinkage and relative mass loss presents four distinct phases. CEMI concrete is dried at 65°C until phase 3 or 4, and then submitted to a coupled poro-mechanical and gas permeability test. For the same sample tested in phase 3 and then 4, a difference in solid skeleton incompressibility modulus Ks is measured, which is significantly lower than the differences in Ks due to sampling.With the Scanning Electron Microscope, the solid phases and morphology of both concretes are quantified. CEM I and CEM V comprise identical phases, even portlandite, yet CEM V concrete has some specific phases, owing to the addition of slag and fly ash. The C-S-H in CEM V have a lower C/S ratio than in CEM I. The (C/S) ratio remains similar when comparing between three different batches. Besides, millimetric pores vary significantly, owing to differences in manufacturing