Au Québec, l’épandage des sels de déglaçage pendant l’entretien hivernal des routes est l’une des causes de la corrosion des armatures en acier dans les ouvrages routiers en béton armé. La corrosion de l’acier crée des tensions internes dans le béton, ce qui entraine l’éclatement du béton qui enrobe l’armature d’acier. La durée de vie des infrastructures routières est par conséquent réduite et les coûts d’entretien sont augmentés. Le présent projet de recherche est né d’une collaboration entre le ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des Transports (MTMDET) et l’Université de Sherbrooke. Il vise à étudier l’utilisation des barres en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), non sujettes à la corrosion dans les dalles en béton armé continu (BAC). Dans cette étude, une section de chaussée de 300 mètres de long a été instrumentée pendant la reconstruction de l’autoroute 40 Ouest à Montréal, pour caractériser le comportement à court et à long terme des dalles en BAC avec des armatures en PRFV. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions climatiques affectent considérablement le comportement à la fissuration des dalles en BAC de PRFV et d’acier. Une analyse par éléments finis d’une section de la chaussée a été également réalisée avec le logiciel Abaqus en vue d’étudier l’influence de plusieurs paramètres tels que le taux d’armature longitudinale, les propriétés des barres de PRFV et leur profondeur, l’épaisseur de la dalle, le coefficient de dilatation thermique du béton et l’espacement des armatures transversales sur le comportement de la dalle en BAC de PRFV. Le modèle par éléments finis a été validé avec les résultats expérimentaux obtenus en chantier. Les résultats numériques montrent que le coefficient de dilatation thermique du béton, le taux d’armature longitudinale, les propriétés des barres de PRFV et leur positionnement dans la dalle, l’épaisseur de la dalle constituent les paramètres qui influencent le plus le comportement des dalles en BAC. Pour le dimensionnement des dalles en BAC de PRFV, des taux d’armature ainsi que des propriétés de barres de PRFV ont été proposés en tenant compte des résultats expérimentaux ainsi que de l’analyse par éléments finis.

L'amélioration des sols est à l'origine une solution économique pour rendre un sol constructible, notamment par rapport aux méthodes de fondations profondes utilisant des pieux. L'amélioration de la compréhension du comportement du matériau provenant de soil-mixing ou jet-grouting connait un intérêt grandissant. Ces deux procédés consistent à mélanger le sol en place avec un liant hydraulique afin de former des colonnes ou des panneaux en "béton de sol". Les fondations spéciales ont connu ces dernières décennies un franc succès aux États-Unis, au Japon et dans les pays Scandinaves. En Europe les nouvelles priorités, pour la plupart liées à l'environnement, au coût de la construction et à la valorisation des matériaux encouragent les industriels à contribuer au développement technologique de la discipline. Certains procédés de mélange paraissent désormais suffisamment sophistiqués pour assurer la réalisation d'éléments structuraux tels que les fondations et les soutènements.Contrairement aux matériaux préfabriqués, à cause des incertitudes liées à l'hétérogénéité des sols, aux conditions environnementales et à la qualité du malaxage sur chantier, il reste toutefois difficile de prédire les propriétés du matériau obtenu. Un manque de règles et de recommandations semble également assez flagrant. Pour répondre au besoin de prédiction et de fiabilisation performantielle des bétons de sol l'objectif des travaux de thèse était donc d'étudier l'influence des paramètres de formulation sur les propriétés physiques et mécaniques du matériau. Les fortes quantités d'eau de gâchage nécessaires à l'obtention d'une consistance de BAP et la faible granulométrie des sols limitent les caractéristiques mécaniques de ces bétons. De par leur composition, les bétons de sol sont donc particulièrement sensibles au retrait de dessiccation et l'importante porosité de ces matériaux les aussi rend plus vulnérables aux agressions chimiques. L’objectif ultime des travaux de recherche était donc de déterminer des paramètres pour une meilleure visibilité de la durée de vie des ouvrages en béton de sol.L'approche béton suivie au laboratoire a consisté à étudier différents bétons de sol composés de sols "artificiels", d'un ciment CEM III/C, et avec un rapport E/C efficace constant. L'étude paramétrique met en évidence un pourcentage volumique d’argile dans le sol au-delà duquel la résistance diminue et la rigidité du matériau peut poser problème pour certaines utilisations structurelles. Les gains de résistance et de rigidité associés à l'augmentation du dosage en ciment sont également quantifiés. Les résultats montrent que l'endommagement par chargement mécanique dépend surtout du dosage en ciment. À partir des résultats expérimentaux, des relations mathématiques sont proposées pour la phase de dimensionnement. Divers essais de vieillissement accéléré permettent de définir des seuils pour les indicateurs de durabilité (porosité et la perméabilité à l'eau). L'analyse de la microstructure du matériau montre aussi l'importance de l'interface pâte-granulat et a permis d'identifier certains mécanismes de dégradation en lien avec les conditions d'exposition. Enfin, ce travail est complété par une étude du comportement à haute température. / Soil improvement initially has been used as an economical solution to make soil constructible, particularly in the context of deep foundation methods using piles. There has been growing interest to improve understanding of the behavior of soil-mixing and jet-grouting material, which consist of mixing the soil in place with a hydraulic binder in order to form columns or panels of "soilcrete". In recent decades, these special foundations have had a great success in the United States, Japan and the Scandinavian countries. In Europe, the environmental consciousness and the ongoing trend to reuse existing material to reduce cost of construction are driving companies to contribute to the technological development of this discipline. Some mixing processes now seem to be sophisticated enough to provide structural elements such as foundations and supports.Unlike prefabricated materials, it is difficult to predict the properties of the material obtained through deep soil mixing due to uncertainties related to soil heterogeneity, environmental conditions and the quality of mixing on site. The objective of the thesis work is to address this need for prediction and performantial reliability of soilcrete by studying the influence of the formulation parameters on the physical and mechanical properties of the material. The high quantities of mixing water necessary to obtain a BAP consistency and the small particle size of the soil limit the mechanical properties of the soilscretes and as a consequence, are particularly sensitive to desiccation shrinkage. Besides, the high porosity of these materials also makes them more vulnerable to chemical aggressions. The ultimate objective of the research is to determine parameters for a better visibility of the lifetime of concrete structures in the soil.The approach tested in the laboratory consists of studying different soilcretes composed of "artificial" soils, CEM III / C cement and with a constant W/C ratio. The parametric study reveals a proportion by volume of clay in the soil beyond which the resistance decreases and thus the stiffness of the material can be problematic for some structural uses. The increase in resistance and the associated stiffness of the soilcrete by increasing the cement dosage is also quantified. The results show that the damage by mechanical load depends mostly on the cement dosage. From the experimental results, mathematical relations are proposed for the dimensioning phase. Various tests of accelerated aging help define thresholds for the indicators of durability (porosity and water permeability). The analysis of the microstructure of the material also shows the importance of the paste-aggregate interface and made it possible to identify some mechanisms of degradation in relation to the exposure conditions. To conclude, this work is finalised by a study of the behavior at high temperature.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre de la surveillance structurale des enceintes de confinement des centrales nucléaires qu’EDF exploite. L’objectif est de déterminer comment la connaissance de la teneur en eau du béton de ces ouvrages pourrait améliorer les prédictions de leur comportement mécanique, qui sont régulièrement réalisées dans le cadre de la démonstration de sûreté des installations.Dans un premier temps, nous avons étudié comment les incertitudes de mesure d’auscultation se propageaient dans les modèles pour quantifier l’information apportée par la mesure de teneur en eau. Nous avons également considéré les effets de ces incertitudes sur les extrapolations en fin de vie de l’ouvrage. Dans un second temps, nous avons proposé un modèle de surveillance des déformations différées comprenant la teneur en eau comme variable explicative et fondé sur une dépendance linéaire avec les déformations. Cette approche a été validée grâce aux données issues de la maquette VeRCoRs.Nous avons voulu ensuite estimer plus précisément l’exigence métrologique pour qualifier les chaines de mesure in situ de teneur en eau des bétons. Pour cela, nous avons utilisé la méthode de Monte Carlo pour simuler la propagation des incertitudes de mesures, en comparant les performances du modèle que nous proposions avec celles d’une approche d’ingénierie plus classique. / This research takes place within the framework of the structural monitoring of nuclear power plant containments that EDF operates. Our goal is to determine how the knowledge of the concrete water content these structures could improve the predictions of their mechanical behavior, which are periodically undertaken as part of the safety case for the facilities.As a first step, we have studied monitoring data uncertainties propagation through the models, in order to quantify the information brought by the water content measurement. We have also addressed the effects of these uncertainties on the extrapolations to the end of the structure lifetime. In a second phase, we have proposed a delayed deformation monitoring model including water content as an explanatory variable and based on a linear dependence with strains. This approach has been validated with data from the VeRCoRs mock up.Then, we sought to estimate more accurately the metrological requirement to qualify in-situ measurement systems for concrete water content. To do this, we used the Monte Carlo method to simulate the propagation of measurement uncertainties, by comparing the performances of the model that we proposed with those of a more conventional engineering approach.

Les enjeux économiques liés à la hausse des coûts des ressources fossiles, leur raréfaction, et les impacts environnementaux inhérents à leur fabrication et à leur utilisation, conduisent les acteurs de la construction à s’orienter vers des matériaux biosourcés. Les ressources issues de la biomasse sont alors au premier plan, celles agricoles notamment, dont les fibres provenant des tiges des plantes. Parmi ces fibres, le lin se démarque en raison de ses propriétés mécaniques élevées et sa faible densité, et sa disponibilité en Normandie. L’objectif de cette étude est de développer un matériau composite innovant par l’association des fibres de lin à une matrice cimentaire, qui sera utilisé dans des procédés de construction préfabriquée. Après la caractérisation fine des constituants de départ, nous avons d’abord décrit en détail l’élaboration des mortiers et bétons biofibrés avec un focus sur la méthodologie de formulation. Puis nous avons analysé l’influence de l’incorporation des fibres de lin sur les propriétés rhéologiques (air occlus, consistance, ouvrabilité et fluidité) et physico-chimiques (pH, ATG). Les propriétés physiques (porosité, module d’élasticité) et mécaniques (contraintes à la rupture, indice de ténacité) ont été mesurées par des essais de flexion et de compression à l’état durci. Ces résultats montrent nettement que la présence des fibres de lin réduit de façon importante les propriétés technologiques des pâtes cimentaires, du fait la sensibilité des fibres au milieu très alcalin et de leur caractère fortement hydrophile. Bien que les traitements de surface des fibres expérimentés (plasma atmosphérique, enrobage coulis de ciment et laitier de hauts fourneaux ou à l’huile de lin) aient permis d’améliorer certaines propriétés des mortiers, ils n’ont pas permis de réduire dans le temps la dégradation des fibres au sein de la matrice cimentaire (hydrolyse alcaline des fibres et leur minéralisation sous l’action de l’hydroxyde de calcium). Il apparaît donc nécessaire de recourir à des liants alternatifs pour tenter d’améliorer la durabilité de ces biocomposites à fibres végétales. Ainsi, de nouvelles formulations de mortiers et bétons sont proposées, dans lesquelles le ciment Portland est remplacé partiellement par le métakaolin / le laitier de hauts fourneaux ou totalement par un ciment sulfo-alumineux, sans préjudices pour le comportement rhéologique. L’étude des nouveaux composites formulés avec le métakaolin ou le ciment sulfo-alumineux indique des niveaux de résistance mécanique et de ténacité élevés. Leurs résistances au gel supérieures au béton classique ou celui incorporant des fibres de verre tient à la forte teneur en air (les fibres jouent un rôle d’agent entraîneur d’air). / The economic issues linked to the rising costs of fossil resources, their scarcity, and the environmental impacts inherent in their manufacture and use, are leading the construction industry to move towards bio-based materials. The resources from biomass are then in the foreground, especially agricultural ones, including fibres from plants stems. Among these fibres, flax stands out because of its high mechanical properties and low density, and its availability in Normandy. The objective of this study is to develop an innovative composite material by combining flax fibres with a cement matrix, which will be used in prefabricated construction processes. After the fine characterization of the initial constituents, we first described in detail the development of plant fibre-reinforced mortars and concretes with a focus on the formulation methodology. Then we analysed the influence of the incorporation of flax fibres on the rheological properties (entrapped air, consistency, workability) and physico-chemical properties (pH, ATG). The physical properties (porosity, modulus of elasticity) and mechanical properties (compressive and tensile strength, toughness index) were measured by bending and compressive tests in the hardened state. These results clearly show that the presence of flax fibres significantly reduces the technological properties of cementitious pastes, because of the sensitivity of the fibres to the highly alkaline medium and their highly hydrophilic nature. The surface treatments of the experimental fibres (by using atmospheric plasma, cement grout coating, blast furnace slag or linseed oil) have effectively improved some properties of mortars, the degradation of the fibres within the cement matrix remain active over the long term (alkaline hydrolysis of the fibres and their mineralization under the action of calcium hydroxide). It therefore appears necessary to use alternative binders in an attempt to improve the durability of these plant fibre biocomposites. Thus, new formulations of mortars and concretes are proposed, in which the Portland cement is partially replaced by metakaolin / blast furnace slag or totally by sulfoaluminate cement, without prejudice to the rheological behaviour. The study of the new composites formulated with metakaolin or sulfoaluminate cement indicates high levels of mechanical strength and toughness. Their resistance to frost superior to conventional concrete or concrete incorporating glass fibres is due to the high air content (the fibres act as an air-entraining admixture).

Aujourd’hui, la technologie du béton ayant fortement évolué, il est, sous certaines conditions, réaliste de construire des éléments structuraux en béton ayant à la compression une résistance de 90N/mm² voire nettement plus. En conséquence, l’ingénieur concepteur peut être amené dans le cadre du dimensionnement des colonnes à en diminuer les dimensions transversales pour des raisons esthétiques ou d’encombrement. <p><p>Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. <p>A cette question de flambement, il faut adjoindre l’influence d’une préconception qui veut qu’une structure en béton à haute résistance soit moins ductile qu’une structure construite avec un béton normal !De ceci résulte la question à la base de ce travail :<p><p>« Peut-on arriver à diminuer la section transversale d’une colonne en utilisant des résistances de béton plus élevées tout en imposant la même valeur de capacité portante et en ne réduisant pas leur ductilité ?»<p><p>Afin de répondre à cette question, le travail s’est articulé autour de deux axes essentiels qui sont d’une part une campagne d’essais (afin d’obtenir des résultats fiables) sur 12 colonnes en béton armé à haute résistance (90N/mm²) d’élancement 74 et 82 dont l’excentricité de la charge est une variable, et d’autre part l’implémen- tation de deux programmes informa- tiques utilisant le principe de l’analyse au second ordre en vue de réaliser une étude paramétrique dont l’excentricité, la hauteur des colonnes, la proportion d’acier, la résistance du béton sont les variables.<p><p>Trop souvent encore, les ingénieurs de bureau d’études hésitent à effectuer un calcul au second ordre et placés devant la question des dimensions de section à donner à une colonne de hauteur et de capacité portante imposées, déterminent celles-ci pour se satisfaire d’un calcul au 1er ordre. Au terme de notre étude, nous avons montré que cette approche est loin d’être optimale, qu’il est possible, au prix d’un calcul au second ordre (mais il est fait à l’ordinateur), de tirer profit d’une augmentation de la résistance du béton pour réduire les dimensions des sections et aboutir en toute sécurité à un dimensionnement plus économique en consommation de matériaux (acier, béton, ciment).<p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The aim of this thesis is to assess the time-dependent behavior of a new kind of composite railway bridge deck composed by two precambered and prestressed beams. The method used until now to design these bridge decks is a simple classical computation method with a variable modular ratio. They have been placed only with simply supported spans up to 26 m.<p>It is now considered to apply this construction method for the building of continuous bridges (with larger spans) by connecting simply supported decks on their supports. It is known that this kind of construction will induce an additional and strong time-dependent redistribution of internal forces within the structure. It was felt that an in-depth understanding of the influence of the concrete time-dependent effects in this kind of composite structures is needed before proceeding with the design of statically indeterminate bridges. Two cross-section analysis programs applying the principle of superposition were developed: the first used the age adjusted effective modulus method and the second the step-by-step method. However, it is known that the delayed behavior of concrete does not fully comply with the principle of superposition. It appears that after a period of compression creep, creep recovery is significantly less than predicted by the superposition principle. In the construction phases of this bridge deck, the concrete fibers belonging to the bottom side of prestressed beams undergo a stress/strain history of significant unloading when the permanent loads are applied step-by-step. Moreover, these methods assume that the relative humidity remains constant. Finally, a lot of bridge decks are heated in order to transfer the prestressing as soon as possible. To evaluate more finely the time-dependent effects of concrete in such composite (and rather complex) structures with variable loading history, several steps have been carried out: <p>-Analysis of the influence of the heat treatment applied in the workshop and the level of applied stress on the creep and the shrinkage of the concrete.<p>-Analysis of the recovery phenomenon of the concrete resulting in the selection of the two-function method with the recovery function proposed by Yue and Taerwe.<p>-Development of a cross-section analysis program applying the two-function method to take into account more finely the recovery phenomenon, what resulted in a optimization of the phases of construction of the bridge decks by decreasing the minimum age of concrete before prestressing from 40 hours to 20 hours. <p>-Development of a structural analysis program with beam finite elements and applying the two-function method,what has resulted in an optimization of the phases of construction of continuous bridges composed by the junction of two bridge decks. <p>-Proposition of a modelling based on the understanding of the physico-chemical phenomenona which are at the origin of the delayed effects and coupled to a local analysis of the evolution of the degree of hydration and the internal relative humidity in order to take into account the changes of the boundaries conditions in terms of heat and moisture exchanges occurring along the construction history of the bridge decks in the evaluation of their long-term behavior. For each component of the delayed strains (the thermal strain, the autogenous shrinkage, the desiccation shrinkage, the desiccation creep, the basic creep), a modelling has been proposed.<p>-Development of a cross-section analysis program based on the numerically stable algorithm with increasing time steps for integral-type aging creep proposed by Bažant and including the different components of the delayed effects according to the proposed modelling.<p>The results seem to be very promising since it was possible to reproduce in a more realistic way the evolutions of the measured strains of the composite railway bridge deck instrumented in June 2000 and situated near Brussels South Station. <p><p><p>L’objectif de cette thèse est de prédire le comportement à long terme de structure mixte type pont-bac composée de poutres préfléchies, précontraintes et construites par phases. A l’heure actuelle, ils sont dimensionnés à l’état limite de service par une méthode traditionnelle pseudo-élastique avec un coefficient d’équivalence acier-béton variable. Il est envisagé d’étendre ce type de construction à la réalisation de viaducs hyperstatiques permettant de franchir de plus grandes portées en établissant une continuité entre deux travées au droit de leur support commun. Il est connu que ce type de construction induit une importante redistribution des efforts internes dans la structure. Il est donc indispensable d’évaluer très finement l’influence des effets différés du béton sur ce type de construction. Deux programmes généraux d’analyse de section basés sur la méthode du module effectif ajusté et la méthode pas-à-pas ont tout d’abord été développés. Ces méthodes appliquent le principe de superposition. Des limitations propres à ces méthodes ont été relevées pour des historiques où le béton subit plusieurs déchargements significatifs par rapport à son état de contrainte initial juste après le transfert de la précontrainte. Ces méthodes ont aussi l’inconvénient de supposer une humidité relative constante. Enfin,pour pouvoir être mis en précontrainte le plus tôt possible, les ponts-bacs sont chauffés. Les caractéristiques de retrait et de fluage s’écartent de celles déterminées en laboratoire sur des éprouvettes conservées à 20°C. Pour lever les limitations des méthodes classiques et évaluer plus finement l’état de contrainte et de déformation à long terme dans ce type de structure, plusieurs étapes ont été effectuées :<p>-Analyse de l’influence d’un traitement thermique appliqué dans les mêmes conditions que celles effectuées chez le préfabricant ainsi que du niveau de contrainte appliqué sur les déformations différées du béton. <p>-Analyse de l’influence de l’application de déchargements à des âges divers sur les éprouvettes de béton permettant de mettre en évidence le fait que la méthode dite aux deux fonctions avec la fonction de recouvrance proposée par Yue et Taerwe reproduit la plupart des résultats expérimentaux de manière très satisfaisante.<p>-Développement d’un programme d’analyse en section suivant la méthode pas-à-pas étendu à la méthode aux deux fonctions afin de mieux tenir compte de la recouvrance, ce qui a permis d’optimiser les phases de préfabrication des ponts-bacs en changeant l’instant de mise en précontrainte. Les simulations ont montré que si le béton du pont-bac est chauffé, la mise en précontrainte peut s’effectuer à 20 heures d’âge du béton. <p>-Développement d’un programme d’analyse de structure au moyen d’éléments finis de type poutre et dont l’algorithme de résolution applique la méthode aux deux fonctions, ce qui a permis d’optimiser les phases de construction de viaducs hyperstatiques constitués par la jonction de deux ponts-bacs. <p>-Proposition d’une modélisation fondée sur la compréhension des phénomènes physico-chimiques à l’origine des effets différés et couplée à une étude locale de l’évolution du degré d’hydratation et de la teneur en eau permettant de tenir compte des changements de conditions aux limites en terme d’échange de chaleur et d’humidité qui ont lieu au cours de l’histoire des ponts-bacs dans l’évaluation de leur comportement à long terme. Pour chaque composante des déformations différées (le retrait thermique, le retrait endogène, le retrait et le fluage de dessiccation, le fluage fondamental), une modélisation a été proposée.<p>-Développement d’un programme d’analyse de section basé sur une approche incrémentale avec l’algorithme récursif et exponentiel proposé par Bažant et dans lequel les composantes des effets différés ont été intégrées suivant la modélisation proposée. <p>Les résultats sont encourageants car ils ont permis de reproduire de manière beaucoup plus réaliste les évolutions des déformations mesurées dans le pont-bac instrumenté à Bruxelles. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

ROBATEL Industries conçoit et fabrique des emballages pour matières fortement radioactives. Des matériaux de protection neutronique et thermique (PNT) sont utilisés dans ces emballages afin d’assurer la capture des neutrons et de limiter l’augmentation de la température des matières radioactives en cas d’incendie. Ces PNT sont constitués d’une matrice cimentaire ou de plâtre auxquels sont ajoutées des charges minérales ou organiques. Une charge minérale, la colemanite, permet la capture des neutrons grâce à sa teneur élevée en bore, après que l’hydrogène contenu dans les PNT les ait ralentis.Le premier enjeu de cette thèse a été de mettre au point des méthodes d’analyse élémentaire afin de caractériser l’homogénéité chimique des PNT, qui est cruciale, notamment pour le bore. Une technique de mise en solution et deux techniques de dosages ont ainsi été développées. Une autre partie importante de la thèse concerne la caractérisation des propriétés thermiques et mécaniques des PNT. D’un point de vue thermique, des mesures de chaleur de réaction, de capacité calorifique et de conductivité thermique ont été menées pour déterminer la quantité de chaleur (enthalpie) absorbée par le matériau en cas d’incendie. D’un point de vue mécanique, des essais de compression et de flexion ainsi que des essais ultrasonores ont été réalisés afin d’évaluer les valeurs des contraintes à la rupture et les modules d’élasticité des PNT. Au-delà de ces caractérisations, l’amélioration des formulations des PNT existantes et surtout la mise au point de nouvelles formulations sont au coeur de ce travail. Deux plans de mélange ont ainsi été réalisés afin d’enrichir les PNT en bore et en hydrogène tandis qu’un autre a permis l’augmentation de la fluidité d’un PNT grâce à l’ajout d’un superplastifiant. La dernière partie de la thèse a concerné l’étude de nouveaux ciments, les sulfoalumineux, qui présentent des caractéristiques intéressantes étant donné que leurs hydrates sont riches en hydrogène. Pour ces trois nouvelles familles de PNT à base de sulfoalumineux, le retard de prise induit par le bore a été limité. / ROBATEL Industries company designs and products packages for highly radioactive materials. Neutron and thermal protection materials (PNT) are used in those packages to catch neutrons and to limit the increase of temperature due to radioactive materials in case of fire. These PNT are composed of a cement or a gypsum-based matrix with mineral or organic fillers. Once the neutrons have been slowed down by the hydrogen contained in the PNT, a mineral filler named colemanite enables the neutron capture thanks to its high content of boron.The first goal of this thesis is to develop analytical chemistry techniques to check the chemical homogeneity of the PNT, which is crucial, particularly for boron. A dissolution method and two determination techniques have been developed. Another important topic in this thesis is characterization of thermal and mechanical properties. Thermal characterizations include heat of reaction, heat capacity and thermal conductivity measurements to determine the total heat absorbed by the PNT in case of fire. Mechanical characterizations include compression, bending and ultrasonic tests in order to evaluate stress to rupture and elastic moduli of PNT. Beyond the characterizations, the aim of this thesis is to improve pre-existing formulas of PNT and most importantly to propose new formulas. Two mixture designs have been carried out to increase the boron and the hydrogen concentrations of PNT. Another mixture design allowed enhancing the fluidity of a PNT using a superplasticizer. The last part of the thesis deals with the study of new cements called sulfoaluminous that show interesting properties because their hydration products are rich in hydrogen. For these three new PNT families, the increase of the setting time of cement due to boron has been restricted.

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux / A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials

Depuis plusieurs années l'équipe de recherche S4M se concentre sur une approche technologique de la SHM avec pour objectif la surveillance de systèmes complexes par des capteurs intelligents distribués: le Smart Sensing. L'équipe S4M conduit des travaux d'instrumentation de structures complexes au travers du déploiement de systèmes de surveillance distribués et de recherche de marqueurs de vieillissement par la mesure et l'exploitation de signaux via des capteurs MEMS déployés. Différents domaines ont déjà été adressés avec des travaux conduits conjointement avec des constructeurs aéronautiques. Ce travail de recherche, effectué en partenariat avec le laboratoire LMDC de l'INSA se focalise sur le matériau de type béton renforcé par des plaques composites, comme structure hétérogène nécessitant une surveillance périodique et/ou continue. Un des enjeux est de contrôler la maintenance préventive ou le surdimensionnement par des coefficients de confiance en proposant une méthode de contrôle non destructif. Notre objectif de recherche est de contribuer dans la recherche d'une ou de signature(s) dans des signaux mesurés par des capteurs piezo en réponse à des impulsions générant la propagation d'ondes mécaniques témoignant un vieillissement ou un endommagement de la structure poutre en béton armé. / For several years the research team S4M focuses on a technological approach to SHM with the aim for monitoring of complex systems by intelligent sensors distributed: Smart Sensing. The S4M team led instrumentation complex structures work through the deployment of distributed monitoring systems and search for markers of aging by measuring and operating signals through deployed MEMS sensors. Different areas have already been addressed with the work conducted jointly with aircraft manufacturers. This research, conducted in partnership with the LMDC-INSA laboratory focuses on the concrete like material reinforced composite plates as heterogeneous structure requiring periodic or continuous monitoring. One of the challenges is to control preventive maintenance or oversizing trusted coefficients by providing a non-destructive testing method. Our research goal is to help in the search for a signature in the signals measured by piezo sensors in response to pulses generating propagation of mechanical waves reflecting an aging or damage to the beam structure of reinforced concrete.

Ce travail de thèse présente la modélisation des phénomènes interfaciaux des Silicates de Calcium Hydratés (C-S-H) en présence de diverses solutions salines. Les C-S-H sont synthétisés en laboratoire sous la forme de suspensions en solution. La caractérisation du solide par diffraction des rayons X et par résonnance magnétique nucléaire permet de valider le processus de synthèse. L'étude de particules colloïdales en solution, tels les C-S-H, requiert la caractérisation globale de l'interface, c'est-à-dire la surface du solide, la région interfaciale et la solution. Le modèle numérique développé dans le cadre de travail de recherche prend en compte les spécificités physiques de ces trois régions. La modélisation des intéractions ioniques s'articule expérimentalement sur les mesures de potentiel zêta et de rétention ionique. Le modèle considère les phénomènes de double couche et de complexation de surface pour interpréter les données de potentiel zêta. Une telle interprétation permet également de déterminer quantitativement la fixation des ions par les C-S-H, due à l'adsorption spécifique et à l'attraction électrostatique. La modélisation des interactions de surface est couplée chimiquement à un modèle de solubilité. Ce couplage physico-chimique fait intervenir la notion d'activité ionique. Le coefficient d'activité des ions en solution est calculé par la méthode MSA (Mean Spherical Approximation) qui est applicable à de fortes concentrations ioniques. Les C-S-H sont étudiés en présence de NaCl, Na2SO4, NaOH et CaCl2. Les résultats du modèle mettent en évidence la dépendance de la charge de surface en fonction de la composition de la solution, ainsi que la corrélation implicite entre les interactions interfaciales et la rétention ionique. Cette corrélation est vérifiée par l'application du modèle à des pâtes de C3S hydraté. L'un des objectifs majeurs de la thèse est l'étude du comportement des ions chlore. L'étude démontre leur très faible interactivité envers les C-S-H, ce qui constitue une information importante, car, dans le cas d'une pâte de ciment hydraté, les C-S-H sont généralement considérés comme étant les principaux responsables de la rétention du chlore. Par le développement d'un module d'interactions physiques, ce travail de recherche contribue significativement à l'étude du transport ionique dans les matériaux cimentaires.