L’emploi de granulats dits “potentiellement réactifs” (PR) vis-à-vis de la Réaction Alcali-Silice (RAS) peut conduire à la dégradation des bétons. Pour pallier aux risques d’expansion de béton constitués de ces granulats, des ajouts minéraux tels les schistes calcinés (SC) peuvent être utilisés comme substituants au clinker. Ce travail a un double objectif qui est de mieux comprendre le rôle des SC pour lutter contre la RAS et le comportement du granulat PR calcaire siliceux de Brunnen en particulier vis-à-vis de la RAS.Parmi les granulats utilisés, le Brunnen a donc fait l’objet d’une caractérisation fine. La présence de silice micronique voire submicronique de type quartz monocristallin semble être très réactive par sa petite taille et pourrait être responsable de l’expansion des bétons à base de ce granulat. Les SC ont également fait l’objet d’une caractérisation détaillée. Malgré une minéralogie et une structure complexes, de la silice micronique a été distinguée. L’action des SC par rapport à la RAS a ensuite été étudiée en milieu réactionnel modèle et enfin en milieu béton. Les résultats montrent un effet bénéfique des SC en milieu réactionnel, malgré des conditions non optimales pour mettre en évidence la réaction pouzzolanique. De même, les SC permettent de diminuer les expansions de béton sous le seuil limite toléré dès 17 % de SC pour le silex et à 30 % de SC ou bien avec le ciment CEM II/B-M (S,T) 42,5 R (Robusto 4R-S) pour les calcaires siliceux. Les SC auraient un double effet pour inhiber la RAS par la fixation des alcalins sur les produits de la réaction pouzzolanique mais aussi par la neutralisation de ceux-ci sur sa silice micronique. / The use of the so-called “potentially reactive” (PR) aggregates, with respect to Alkali-Silica Reaction (ASR), leads to concrete degradations. In order to avoid the expansion of concrete made with them, some mineral additions such as burnt oil shales (SC) can be used as substituents to the clinker. The present work has a two aims, first to better understand the role of the SC against ASR and then the behavior of the siliceous limestone PR of Brunnen towards ASR. Among the aggregates used, the Brunnen was characterized. The presence of crypto to micro-SiO2, consisting of monocrystalline quartz, seems to be very reactive by its small size and would engender the expansion of concretes based on this aggregate. Despite a mineralogical and textural complexity, a micro-SiO2 was highlighted. The action of SC towards ASR was then studied by a model reactor and finally in concretes. Results show a beneficial effect of SC in the model reactor, in spite of non optimal conditions to show the pozzolanic reaction. As far as that goes, SC allowed the decrease of concrete expansions under the threshold limit for a 17 %wt of SC for flint and 30 %wt of SC or with CEM II/B-M (S,T) 42,5 R (Robusto 4R-S) for siliceous limestones. SC could have a dual effect of inhibiting ASR by fixing alkalis on products of the pozzolanic reaction and also neutralizing alkalis on its micro-SiO2.

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.

Le béton est un matériau de construction omniprésent dans les ouvrages de génie civil en raison de sa facilité de mise en oeuvre et son faible coût économique. Suite à des incendies de tunnels ou de bâtiments, les structures en béton peuvent présenter d'importantes dégradations. Afin de pouvoir concevoir des ouvrages plus sûrs il s'avère nécessaire de comprendre les phénomènes physiques à l'origine des désordres dans les structures en béton portées à température élevée. Les travaux de recherche de cette thèse permettent de compléter les connaissances déjà acquises sur le comportement du béton à température élevée en mettant l'accent sur le comportement des granulats, de l'interaction pâte/granulats et béton/roche. Ce travail de recherche basé sur une approche expérimentale analyse l'influence de différentes natures de granulats sur le comportement thermo-hydro-mécanique du béton soumis à une température élevée. Cette étude est construite en trois parties : l'étude du comportement des granulats soumis à température élevée, l'étude du comportement du béton avec les granulats testés précédemment et enfin l'étude d'un échantillon bicouche simulant la relation béton/roche dans un tunnel en incendie. Dans la première partie, trois granulats (calcaire concassé, silico-calcaire semi-concassé de Seine et siliceux roulé) subissent des cycles de chauffage/refroidissement à une vitesse de 1°C/min à 150°C, 300°C, 450°C, 550°C, 600°C et 750°C. Pour une même nature de granulat siliceux, le silex présente une instabilité thermique se traduisant par un éclatement à partir de 300°C alors que le quartzite présente une bonne résistance thermique. La cristallinité et la microstructure du quartz jouent un rôle important dans leur stabilité thermique. La teneur en eau initiale présente aussi une importance sur le comportement thermique du silex. Le granulat calcaire présente aussi une instabilité à cause des phénomènes de décarbonatation/hydratation mais seulement pour le cycle de chauffage/refroidissement à 750°C. Les évolutions physico-chimiques, minéralogiques et microstructurales de ces granulats soumis à une température élevée sont ensuite analysées pour bien comprendre le processus d'instabilité. L'évolution des endommagements du silex est décrite par une série d'observations de la fissuration de l'échelle macroscopique à nanoscopique. La deuxième partie de l'étude expérimentale est consacrée aux bétons réalisés avec les trois granulats analysés précédemment. Pour chaque type de granulat, deux rapports E/C de 0.6 et 0.3 pour les bétons sont étudiés. Ces bétons subissent les mêmes cycles de chauffage/refroidissement que les granulats. Nous déterminons l'évolution de la fissuration, des propriétés thermiques, physiques et mécaniques des bétons en fonction des températures subies. Le comportement mécanique résiduel du béton varie selon la nature des granulats et l'influence du granulat dépend aussi de la compacité de la pâte cimentaire. La partie relative à la simulation d'un incendie dans un tunnel avec un bicouche roche/béton fabriqué au laboratoire permet d'analyser le comportement du béton et de la roche en s'intéressant aux transferts de chaleur dans les 2 matériaux au cours de l'exposition à une température élevée. Mots clés : béton, granulat siliceux et calcaire, microstructure, propriétés mécaniques, propriétés thermiques, haute température.

Comportement à haute température des bétons : influence de la nature du granulat.Cette étude porte sur l’influence de la nature du granulat sur le comportement des bétons à haute température. Les propriétés des granulats et les performances des bétons sont généralement classées en deux catégories basées sur leur composition chimique : les bétons de granulats calcaires et les bétons de granulats siliceux. Cependant, de récentes études ont montré que les comportements à haute température de différentes natures de granulats au sein de ces groupes compositionnels sont particulièrement différents. La pertinence de cette distinction est donc discutée au travers de ces résultats.Dans un premier temps, une étude pétrographique (composition minéralogique) sur deux granulats siliceux et deux granulats calcaires, représentatifs des deux catégories, est réalisée. Leurs propriétés physiques (densité, porosité, granulométrie) sont déterminées. L’évolution des caractéristiques minéralogiques est étudiée en passant par l’identification des phénomènes physico-chimiques (modification minéralogique identifiée par DRX, ATG/DSC) survenant au cours du chauffage. Cela permet d’interpréter leurs influences sur l’évolution de la capacité thermique et de la dilatation thermique linéaire des granulats. Des observations à différentes échelles après des cycles de c/r à différents paliers de température jusqu’à 750 °C permettent de décrire et d’évaluer l’endommagement des granulats.Dans un deuxième temps, des bétons et des mortiers (Eeff./C = 0,6 et 0,3) sont confectionnés avec ces granulats (gravillons et sables). Les processus thermo-chimiques sont identifiés et la dilatation thermique des mortiers est mesurée à chaud jusqu’à 1000 °C. Les propriétés thermiques à chaud des bétons (conductivité thermique, capacité thermique, diffusivité thermique) sont mesurées jusqu’à 300 °C et la réponse thermique jusqu’à 750 °C. La fissuration résiduelle est observée à l’échelle macroscopique et microscopique (microscope optique et MEB). L’évolution de la porosité et des propriétés mécaniques résiduelles (résistance à la compression, module d’élasticité et résistance à la traction par fendage) sont estimées après des cycles de c/r à différents paliers de température jusqu’à 750 °C. / High temperature behaviour of concrete : influence of the nature of the aggregates.This study deals with the influence of the nature of the aggregates on the behaviour of concrete undergoing to high temperature stress. Aggregate properties and concrete mechanical performances are usually classified into two categories based on chemical components: calcareous aggregates concretes and siliceous aggregates concretes. However, recent studies showed that high temperature behavior of aggregates within a same group of composition can be particularly different. The relevance of this distinction is discussed through these results.Firstly, a petrographic study (mineralogical composition) on two siliceous and two calcareous aggregates, representative of the two categories of composition is performed. Their physical properties (density, porosity, granular distribution) are determined. The evolution of mineralogical characteristics is performed through the identification of physico-chemical phenomena (mineralogical changes identified by XRD, TGA/DSC) happening during heating. It allows interpreting their influence on the evolution of specific heat capacity and thermal expansion of aggregates. The different scales observations made after heating/cooling cycles at different target temperatures until 750 °C allow the description and the evaluation of aggregates physical damage.Secondly, concretes and mortars (Weff./C = 0.6 and 0.3) are made with these aggregates (gravel and sand). Physico-chemical processes are identified and thermal expansion of mortar are measured during heating until 1000 °C. Hot thermal properties of concretes (conductivity, specific heat capacity, diffusivity) are measured until 300 °C and thermal response until 750 °C. Residual cracking is observed at macroscopic and microscopic scale (optical microscope and SEM). The evolution of porosity and mechanical residual properties (compressive strength, modulus of elasticity and tensile splitting strength) are assessed after heating/cooling cycle at different target temperatures until 750 °C.

Le comportement rhéologique de suspensions magmatiques synthétiques hydratées a été expérimentalement étudié en déformation coaxiale et en torsion à haute température et haute pression à l'aide d'une presse de type Paterson. Les résultats obtenus illustrent l'influence de la fraction cristalline et de la forme des cristaux sur la rhéologie et le développement des Orientations Préférentielles de Forme (OPF) des particules au sein des suspensions magmatiques. La formation d'une charpente cristalline, associée à une forte hausse de la viscosité, intervient pour des fractions solides comprises entre fs = 0,20 et 0,38 en relation avec le développement de fabriques de type pénétratif. En augmentant la fraction solide (fs = 0,50), le développement d'une fabrique pénétrative, couplé à des bandes de cisaillement bordées de gradients de déformation, engendre un adoucissement de la réponse rhéologique et une hausse moins importante de la viscosité. Pour fs = 0,58, des bandes de cisaillement de type cassant sans gradient de déformation, recoupant une suspension non déformée, apparaissent et contrôlent le fort adoucissement de la réponse rhéologique. La viscosité de la suspension n'augmente plus alors que légèrement. Au-delà de cette fraction cristalline, les suspensions étudiées montrent une forte réduction de la taille et du rapport de forme des cristaux se traduisant par une stabilisation de la réponse rhéologique en fonction de la déformation. Aucune OPF n'a pu être déterminée et une quasistabilisation de la viscosité est observée (comportement mécanique de solide). Toutes les suspensions étudiées se caractérisent par un comportement rhéologique non-Newtonien de type rhéofluidifiant. La dépendance entre le comportement rhéologique des suspensions magmatiques et le développement des microstructures doit être intégrée dans la modélisation de la mécanique des suspensions magmatiques.

Ce travail de recherche analyse l'influence de différentes natures de granulats sur le comportement thermo-hydro-mécanique du béton soumis à une température élevée. Dans la première partie, trois granulats (calcaire, silico-calcaire et siliceux) subissent des cycles de chauffage/refroidissement à 150°C, 300°C, 450°C, 600°C et 750°C. Les évolutions physico-chimiques, minéralogiques et microstructurales de ces granulats soumis à une température élevée sont analysées pour comprendre le processus d'instabilité. La deuxième partie est consacrée aux bétons réalisés avec les trois granulats analysés précédemment soumis à une température élevée. Nous déterminons l'évolution de la fissuration, des propriétés thermiques, physiques et mécaniques du béton en fonction des températures subies. Le comportement mécanique résiduel du béton varie selon la nature des granulats et l'influence de granulat dépend aussi de la compacité de la pâte cimentaire. La partie relative à la simulation d'un incendie dans un tunnel avec un bicouche roche/béton fabriqué au laboratoire permet d'analyser le comportement du béton et de la roche en s'intéressant aux transferts de chaleur dans les 2 matériaux au cours de l'exposition à une température élevée. / This research analyses the influence of different types of aggregates on the thermo-hydro-mechanical behavior of concrete subjected to high temperature. In the first part, three aggregates (calcareous, silico-calcareous and siliceous) undergo the heating/cooling cycles at a rate of 1°C/min to 150°C, 300°C, 450°C, 600°C and 750°C. The physico-chemical, mineralogical and microstructural evolutions of these aggregates subjected to high temperature are analysed to understand the instability's process. The second part of the experimental study is devoted to concrete made with three aggregates discussed above. We determine the evolution of the cracking, the thermal properties, the physical and mechanical properties of the concrete with the temperatures experienced. The residual mechanical behavior of concrete varies with the nature of aggregates and the influence of aggregate depends also on the compactness of the cement paste. The part relating to a simulation of a tunnel fire with a rock/concrete bilayer manufactured in the laboratory permits to analyse the behavior of concrete and rock by focusing on the heat transfer in the two materials during the exposure to high temperature.

Le comportement rhéologique de suspensions magmatiques synthétiques hydratées a été expérimentalement étudié en déformation coaxiale et en torsion à haute température et haute pression à l’aide d’une presse de type Paterson. Les résultats obtenus illustrent l’influence de la fraction cristalline et de la forme des cristaux sur la rhéologie et le développement des Orientations Préférentielles de Forme (OPF) des particules au sein des suspensions magmatiques. La formation d’une charpente cristalline, associée à une forte hausse de la viscosité, intervient pour des fractions solides comprises entre fs = 0,20 et 0,38 en relation avec le développement de fabriques de type pénétratif. En augmentant la fraction solide (fs = 0,50), le développement d’une fabrique pénétrative, couplé à des bandes de cisaillement bordées de gradients de déformation, engendre un adoucissement de la réponse rhéologique et une hausse moins importante de la viscosité. Pour fs = 0,58, des bandes de cisaillement de type cassant sans gradient de déformation, recoupant une suspension non déformée, apparaissent et contrôlent le fort adoucissement de la réponse rhéologique. La viscosité de la suspension n’augmente plus alors que légèrement. Au-delà de cette fraction cristalline, les suspensions étudiées montrent une forte réduction de la taille et du rapport de forme des cristaux se traduisant par une stabilisation de la réponse rhéologique en fonction de la déformation. Aucune OPF n’a pu être déterminée et une quasistabilisation de la viscosité est observée (comportement mécanique de solide). Toutes les suspensions étudiées se caractérisent par un comportement rhéologique non-Newtonien de type rhéofluidifiant. La dépendance entre le comportement rhéologique des suspensions magmatiques et le développement des microstructures doit être intégrée dans la modélisation de la mécanique des suspensions magmatiques. / The rheological behaviour of synthetic hydrous magmatic suspensions has been experimentally investigated in compression and torsion at high temperatures and pressures in a Paterson press. The results illustrate the influence of the crystal fraction and of the shape of the crystals on the rheology and the Shape Preferred Orientation (SPO) of the particles. A solid particle network, associated with a strong increase of the viscosity, is generated between crystal fractions (fs) of 0.20 and 0.38, with the development of pervasive fabrics. With increasing the crystal fraction (fs = 0.50), shear bands bordered by symmetrical deformation gradients crosscut the pervasive fabric, resulting in a weakening in the rheological behaviour of the suspension. The increase of the viscosity with increasing cristallinity of the suspension becomes less important. At fs = 0.58, brittle shear bands without deformation gradients crosscut an undeformed suspension and lead to a strong weakening of the rheological behaviour which explains the small increase of the viscosity of the suspension with increasing crystal fraction. Above this crystal fraction, suspensions show a strong reduction of the crystal size and shape ratio. No SPO has been determined but the near-stabilisation of the viscosity, coupled with a stabilisation of the stress with strain, is consistent with a solid-like mechanical behaviour at these high crystallinities. All studied suspensions are characterized by a non-Newtonian, shear thinning rheological behaviour. Our results and, in particular, the dependence between the rheological behaviour and the development of crystal microstructures, need to be integrated in mechanical models of magmatic suspensions.