L’optimisation des performances énergétiques du bâtiment et la réduction des émissions de CO2 générées par le secteur de la construction sont devenus des enjeux majeurs. Il s’agit non seulement de réduire considérablement les consommations d’énergie liées au chauffage et à la climatisation durant la période de fonctionnement des bâtiments mais aussi de choisir des matériaux à faible impact carbone en privilégiant l’utilisation de ressources renouvelables et locales. Ces dernières années ont vu naître un intérêt croissant pour les bétons de chanvre. Ces agromatériaux associent un granulat végétal issu de la tige du chanvre avec un liant minéral. Il en résulte un matériau isolant qui présente une certaine efficacité à réguler les variations de température et d’humidité. Considérés comme multifonctionnels, les bétons de chanvre constituent une alternative écologique aux enveloppes traditionnelles. Face aux matériaux à isolation répartie comme le béton cellulaire ou la brique dont l’impact carbone est élevé, les bétons de chanvre présentent l’inconvénient d’être peu résistants mécaniquement et sont de ce fait associés à une structure porteuse. Ce travail de thèse s’inscrit dans une démarche visant d’une part à diversifier la ressource végétale utilisée pour la confection des agromatériaux de construction en développant un béton innovant incorporant les balles de riz de Camargue et d’autre part à étudier certains procédés dans l’optique d’améliorer les performances mécaniques de ces matériaux après les premiers mois de cure. Le premier objectif a consisté à caractériser la balle de riz naturelle préalablement à son association avec un liant à base de chaux. Les caractéristiques propres au granulat de balles de riz se sont traduites par la fabrication d’un agrobéton moins dosé en eau et de densité apparente plus élevée que celle du béton de chanvre (en restant inférieure à 800 kg.m-3). La conductivité thermique du béton à base de balles de riz s’est montrée similaire à celle du béton de chanvre pour un ratio massique « liant/granulat (L/G) » identique. En revanche, les performances mécaniques en compression se sont révélées plus faibles pour le béton à base de balles de riz après 1 mois de cure à 20°C et 50%HR.Le second axe de travail s’est porté sur le suivi temporel des caractéristiques mécaniques et du durcissement du liant jusqu’à 10 mois de conservation soit à 20°C et 50%HR soit en conditions extérieures. Les bétons de chanvre se sont caractérisés par un gain de résistance en compression plus favorable que celui observé sur les bétons de balles de riz malgré une cinétique de durcissement du liant équivalente. Cette conservation naturelle a été comparée à une cure en carbonatation accélérée (CO2). Les résultats ont montré que ce procédé a permis d’obtenir une résistance en compression 2 mois après la fabrication des éprouvettes équivalente à celle obtenue après 10 mois de conservation à l’extérieur. Considérant que la résistance mécanique du béton à base de balles de riz est limitée par la liaison mécanique liant/particule, ce travail s’est porté également sur l’effet d’un traitement des particules à l’eau de chaux saturée. S’il s’est montré inefficace pour le béton de chanvre, il a permis d’améliorer la résistance en compression des bétons à base de balles de riz.Enfin, cette étude a traité de l’effet d’une cure humide (95%HR) et d’une élévation de température (50°C) sur le durcissement du liant et l’acquisition des résistances mécaniques à court terme. L’étude a été préalablement menée sur des mortiers de chaux. Les résultats ont montré que ce type de cure permet une très forte augmentation de la résistance mécanique du liant après 28 jours par un effet cinétique sur les réactions d’hydratation. Toutefois, ces conditions de cure ont entrainé une perturbation de la zone de transition entre le liant et la particule et par conséquent une dégradation des propriétés mécaniques des agrobétons. / The improvement of building energy efficiency and the reduction of CO2 emissions from the construction industry have become a major issue over the last years. We need to cut the energy consumption linked to heating and cooling of buildings during their operating period but also to choose materials with low carbon footprint using renewable and local resources.Hemp concretes are more and more used in green construction. These bio-based building materials consist of hemp-derived aggregates mixed with mineral binders and water. These concretes have attractive insulating properties and present some effectiveness in buffering variations of temperature and humidity in buildings. Considered as a multifunctional material, hemp concrete can offer an eco-friendly alternative to traditional building envelopes but have the disadvantage of being very low strength. Unlike cellular concrete or clay bricks, hemp concretes cannot be used as load-bearing materials but for infilling walls with a wood timber frame. The aim of this thesis work is, on the one hand, to diversify plant aggregates used for the manufacturing of bio-based concretes by developing an innovative material based on local rice husk from the Camargue area and on the other hand to investigate some processes in order to increase mechanical strength of these materials after the first months of curing. The first objective of this work was to characterize rice husks prior to incorporating them in a lime-based mix. Intrinsic features of rice husks led to the manufacturing of a new bio-based concrete designed with a lower water content and a higher apparent density than hemp concrete (by remaining below 800 kg.m-3). Thermal conductivity of rice husk concrete was comparable to that of hemp concrete for a given « binder on aggregates (B/A) » mass ratio. Nevertheless, mechanical performances in compression have proved lower for the rice husk concrete after one month of hardening at 20°C and 50%RH. The second line of the work dealt with the evolution of mechanical properties and binder hardening over time. Specimens were cured during 10 months either at 20°C and 50%RH or exposed outdoors. Hemp concrete exhibited a higher compressive strength gain over time than that achieved for rice husk concrete despite a same hardening kinetics. This curing under natural carbonation was compared to an accelerated one (CO2 curing). Accelerated carbonation provided the opportunity to obtain the same compressive after 2 months than that reached after the outdoor exposure during 10 months. Considering that compressive strength of rice husk concrete is restricted by the bonding strength between the binder and the aggregates, this work also focused on the effect of a lime-water treatment of plant aggregates. This latter was not efficient for hemp concrete but increased compressive strength of rice husk concrete. Finally, the effect of a moist curing (95%RH) and elevated temperature (50°C) on binder hardening and strength development of bio-based concretes was investigated. This aspect was also studied on lime-based mortars. The results showed that this type of curing led to a strong increase of mechanical strength for the binder after 28 days due to kinetic effects on hydration reactions. Nevertheless, these curing conditions were detrimental to the transition zone between the binder and the plant aggregates and consequently counterproductive for the mechanical performances of bio-based concretes.

La corrosion des armatures est reconnue comme la première cause de dégradation des structures en béton armé dans les domaines du génie civil et des monuments historiques. La corrosion peut survenir lorsque le béton d'enrobage est carbonaté ou lorsque les ions chlorure sont présents en quantité suffisante au niveau de l'armature.Les objectifs de cette thèse visent à appréhender les processus de corrosion des armatures lorsque le béton est doublement contaminé (carbonatation et ions chlorure) et d'évaluer une solution de réparation de type traitement électrochimique d’extraction des ions chlorure (ECE).Pour répondre à ces objectifs, trois phases ont été programmées : (1) des vieillissements artificiels, (2) un traitement ECE et (3) un suivi de la durabilité du traitement. Pour chacune de ces phases, les évolutions (1) de la corrosion des armatures dans le béton, (2) des produits de corrosion à l'interface armature/béton et (3) de la matrice cimentaire ont été investiguées. L'approche scientifique de l'étude, avec des analyses multiples d'observations à différentes échelles et l'utilisation de techniques non destructives, destructives ou in situ, a permis de rendre compte des processus de corrosion avant et après traitement et de discuter les résultats en fonction de critères d'efficacité proposés.L'étude a été réalisée en prenant en compte deux ciments (CEM I et CEM III/A) et en considérant deux modes de vieillissements artificiels. Trois cent vingt éprouvettes en micro-béton armé répondant à quatre formulations ont ainsi été étudiées. Les techniques principales utilisées sont des caractérisations électrochimiques non destructives, des caractérisations au MEB et EDS, des analyses destructives de déterminations quantitative pour la teneur en ions chlorure et qualitative pour l'évaluation du pH et enfin la microspectrométrie Raman qui permet de déterminer la nature des produits de corrosion in situ.L’exploitation de l’ensemble des résultats a mis en évidence l’évolution des caractéristiques étudiées au cours des phases de l’étude. Avant traitement, l'enrobage béton était entièrement carbonaté et la teneur en ions chlorure libres au voisinage de l'armature était comprise entre 0,9 et 2,1% par rapport à la masse de ciment en fonction des formulations. Les courants de corrosion étaient de l’ordre de 10 µA/cm² et une épaisseur de corrosion homogène de l’ordre de 5-10 µm était observée. Lors des analyses Raman in situ, de la rouille verte chlorurée a été identifiée, synonyme de corrosion active. Après traitement, plus de 90% des ions chlorure ont été extraits et le pH du béton au voisinage de l'armature a augmenté (pH>9) sur une épaisseur d’environ 1 cm. Les courants de corrosion sont devenus inférieurs à 0,1 µA/cm² (niveau de corrosion négligeable). La formation de magnétite a majoritairement été observée avec néanmoins la présence résiduelle très locale de rouille verte. Aucune évolution délétère significative de la matrice cimentaire n’a été identifiée. L’efficacité du traitement a donc été démontrée. L'évaluation de la durabilité du traitement sur une période de 4 à 12 mois a montré que les caractéristiques électrochimiques restaient stables. En revanche, la diminution de l'épaisseur de béton dont le pH avait augmenté pour les éprouvettes fabriquées avec le ciment CEM III/A peut laisser craindre une reprise de corrosion sur du plus long terme. Enfin, le suivi Raman in situ, montre des différences de la durabilité en fonction de la durée du traitement / Reinforcement corrosion is known as the first cause of reinforced concrete degradation in the fields of civil engineering structures and historical monuments. Corrosion occurs when concrete cover is carbonated or when chloride ions are present in sufficient quantity at the reinforcement vicinity.The main objectives of this thesis are to investigate the corrosion processes of the reinforcement when the concrete is contaminated by carbonation as well as chloride ions and to evaluate a cathodic electrochemical treatment as a repair solution.To meet these objectives, three phases were investigated: (1) artificial agings, (2) an electrochemical chloride extraction (ECE) treatment and (3) durability. For each of these phases, the evolutions (1) of the rebar corrosion in concrete, (2) of the corrosion products at the reinforcement/concrete interface and (3) of the cementitious matrix were studied.The scientific approach gathered multiple analyzes at different scales and the use of non-destructive, destructive or in situ technique. It allowed to study the corrosion processes before and after treatment and to discuss results according to efficiency criteria suggested.The study was carried out taking into account two cements (CEM I and CEM III/A) and considering two modes of artificial aging. More than three hundred specimens of reinforced micro-concrete, corresponding to four concrete designs, were therefore studied. The main techniques used were non-destructive electrochemical characterizations, SEM and EDS characterizations, destructive quantitative determinations (chloride ion content) and qualitative determinations (pH evaluation), and finally Raman microspectrometry to determine the nature of the corrosion products.The results highlighted some evolutions of different characteristics studied during the phases of the study. Before treatment, the concrete cover was entirely carbonated and the free chloride content at the reinforcement level was in the range of 0.9-2.1% by weight of cement depending on the concrete design. A 10 μA/cm² average corrosion currents was reported and a homogeneous corrosion layer thickness of about 5-10 μm was observed. During in situ Raman analysis, chloride green rust was identified indicating an active corrosion.After treatment, more than 90% of the chloride ions were extracted and the thickness of the concrete which had a pH value higher than 9 around the reinforcement, was about 1 cm. The corrosion currents became less than 0.1 μA/cm² (negligible corrosion level). The formation of magnetite was mostly observed with nevertheless a local presence of residual green rust. No significant deleterious evolution of the cementitious matrix was identified. The treatment efficiency was therefore demonstrated. The evaluation of the treatment durability over a period of 4 to 12 months showed that the electrochemical characteristics remained stable. On the other hand, a decrease in the concrete area which pH increased during the electrochemical treatment was observed for CEM III/A cement which could lead to a corrosion recovery over the longer term. Finally, the in situ Raman study revealed differences in durability as a function of the treatment duration

L’encrassement des façades d’immeuble est causé par un phénomène d’altération biologique essentiellement esthétique. Leur vieillissement naturel favorise la colonisation de micro-organismes. La cinétique de biodétérioration dépend de plusieurs paramètres, tels que la situation géographique, les conditions environnementales et les caractéristiques physico-chimiques du matériau. L’objectif de la présente étude est d’établir un lien entre la composition chimique de mortiers à base de ciments et leur cinétique de colonisation par des microorganismes. Deux bancs d’essais sont utilisés : un banc d’essai in situ et un banc d’essai de biodétérioration accélérée de laboratoire. Deux ciments Portland (OPC) et deux ciments alumineux (CAC) de minéralogies différentes ont été sélectionnés. L’effet de la porosité, de la rugosité et de la carbonatation a également été étudié. Le microorganisme sélectionné pour les essais de laboratoire est l’algue Klebsormidium flaccidum qui se développe de manière prépondérante sur les façades en France. Les résultats obtenus en laboratoire et in situ montrent que la biocolonisation des mortiers à base de CAC est plus lente que celle des mortiers à base d’OPC. Lorsque la porosité augmente, la vitesse de biocolonisation augmente et l’effet de la composition chimique est en grande partie masqué. La biocolonisation des mortiers carbonatés se réalise plus rapidement que celle des mortiers non carbonatés surtout dans le cas des mortiers à base d’OPC. Enfin, les mortiers de surface rugueuse sont colonisés plus rapidement quelle que soit la formulation testée. Cet effet est plus marqué pour les mortiers exposés in situ que pour ceux testés en laboratoire. / The fouling of building-facade is caused by a main aesthetic phenomenon of biological weathering. The natural weathering favors the micro-organisms development. The biofouling kinetics depends on several parameters such as geographical situation, environmental conditions and physicochemical parameters of substrates. The main objective of this study is to highlight the influence of the mortar chemistry in relationship with its physical properties on the algal growth. The biofouling kinetics was followed on samples exposed outdoor and on samples tested in a laboratory bench which consists in spraying an algal culture on mortar specimens. In order to characterize the influence of the mortar chemistry on biofouling, two Portland cements (OPC) and two calcium aluminate cements (CAC) were tested. The influence of roughness, porosity and carbonation was also studied. The green algae Klebsormidium flaccidum were chosen for the accelerated laboratory tests because of its representativeness. The results obtain in laboratory and in situ show that CAC based mortars slow down the colonization kinetics compared to OPC based mortars. When porosity increases the biofouling kinetics increases and the effect of the mortars chemical composition is largely hidden. The carbonated mortars biofouling is achieved more quickly than uncarbonated ones especially for OPC based mortars. Finally, the rough surfaces are colonized faster whatever formulation tested. This parameter is mostly highlighted for in situ tests.

New technologies, such as an efficient vapor-compression evaporator, a stationary lime kiln (SLK), and the MixAlco process, compelled us to re-evaluate methods for producing sugar from cane. These technologies allow more water and lime to be used, and they add more value to bagasse. Extracting and preserving the sugars, and lime pretreating the bagasse to enhance biodigestibility, all at the same time in a pile, was demonstrated to be unfeasible; therefore, sugar extraction must occur before lime treating the bagasse. Sugar extraction should occur countercurrently by lixiviation, where liquid moves in stages opposite to the soaked bagasse (megasse), which is conveyed by screw-press conveyors that gently squeeze the fiber in each stage, improving extraction. The performance of a pilot-scale screw-press conveyor was tested for dewatering capabilities and power consumption. The unoptimized equipment decreased megasse moisture from 96 to 89%. Simulation of the process suggested that eight stages are necessary to achieve 98% recovery from typical sugarcane. The cumulative power for the screw-press conveyor system was 17.0±2.1 hp•h/ton dry fiber. Thin raw juice preserved with lime for several months showed no sucrose degradation and no quality deterioration, except for reducing sugar destruction. The lime loading needed for 1-year preservation is 0.20 g Ca(OH)2/g sucrose. Shorter times require less lime. After preservation, the juice was carbonated and filtered, and the resulting sludge pelletized. Due to their high organic content, the pellets were too weak for calcination temperatures used in the SLK. The organics must be decreased prior to pelletization and sodium must be supplemented as a binding agent. Long-term lime pretreatment of bagasse showed two delignification phases: bulk (rapid) and residual (slow). These were modeled by two simultaneous first-order reactions. Treatments with air purging and higher temperatures (50 – 57oC) delignified more effectively, especially during the residual phase, thus yielding higher cellulase-enzyme digestibilities after 2 – 8 weeks of treatment. At temperatures > 60oC, pure oxygen purging is preferred. Fresh bagasse was of better quality than old bagasse. Treatment with NaOH yielded a larger bulk delignification phase than Ca(OH)2. Long-term lime pulping of bagasse was unsuitable for copy-quality paper, but it was appropriate for strawboard and other filler applications.

Les émissions anthropiques de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, sont considérées comme les principales causes du réchauffement climatique. Le captage du dioxyde de carbone par l’oxyde de calcium, qui s’avère être une masse de captage appropriée, au cours de plusieurs cycles de carbonatation/décarbonatation est une solution à la diminution des émissions industrielles. Néanmoins, la capacité de captage du dioxyde de carbone par l’oxyde de calcium diminue au cours des cycles, soulevant ainsi des problèmes économiques majeurs. Actuellement, cette perte d’efficacité de captage est largement étudiée contrairement à la réaction même de carbonatation de CaO d’un point de vue fondamental.Dans l’optique de mieux comprendre la réaction de carbonatation de CaO, une étude cinétique a été menée par le biais d’expériences de thermogravimétrie sur poudre. L’approche cinétique a été basée sur des tests de cinétiques hétérogènes fondés sur les hypothèses de l’état pseudo-stationnaire et de l’étape limitante. Les courbes cinétiques expérimentales obtenues en conditions isothermes (450-650°C) et isobares (2-30 kPa) ont montré un temps de latence lié au processus de germination de la nouvelle phase, ainsi qu’un fort ralentissement de la réaction à partir d’un certain degré d’avancement. Ce temps de latence et le degré d’avancement correspondant au frein cinétique dépendent de la température et de la pression partielle de CO2. Afin d’en expliquer l’origine, des caractérisations texturales et morphologiques ont été effectuées à différents degrés d’avancement. Les modifications observées à l’échelle des agrégats ont suggéré une limitation de la vitesse de réaction par des phénomènes de transport de matière, susceptibles de bloquer l’accès du gaz au cœur des agrégats. Les décrochements en température réalisées en thermogravimétrie ont mis en évidence un comportement cinétique complexe. Trois domaines ont pu être distingués au cours de la réaction, quelles que soient la température et la pression partielle de CO2. L’interprétation de ces résultats a souligné le rôle de la porosité et de son évolution sur la cinétique, ainsi qu’un effet anti-Arrhenius dans le deuxième domaine.La modélisation cinétique a dû faire intervenir à la fois un modèle proche de la réalité physique à l’échelle des grains denses, mais également les processus de transport de matière et de chaleurs au sein de l’agrégat, afin de rendre compte des courbes expérimentales et de quantifier l’impact des différents paramètres expérimentaux sur la vitesse de réaction. Ce couplage échelle de la population des grains-échelle de l’agrégat a été réalisé à l’aide d’un logiciel de cinétique hétérogène, CIN4, développé au département PRESSIC, en collaboration avec la société ASTEK. Les simulations obtenues ont permis de décrire la réaction jusqu’au freinage cinétique. / Anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions, major contributors to the greenhouse effect, are considered as the main cause of global warming. So, decrease of CO2 emitted by large industrial combustion sources or power plants, is an important scientific goal. One of the approaches is based on CO2 separation and capture from flue gas, followed by sequestration in a wide range of geological formations. In this aim, CO2 is captured by sorbents like calcium oxide (CaO) in multi-cycle process of carbonation/decarbonation. However, it was shown that the most important limitations of such process are related to the reversibility of reaction. CaO rapidly loses activity towards CO2, so the maximum extent of carbonation decreases as long as the number of cycles increases. In order to well understand the processes and parameters influencing the capture capacity of CaO-based sorbents, it appears important to get details on the kinetic law governing the reaction, which have not been really studied up to now. To investigate this reaction, CaO carbonation kinetics was followed by means of thermogravimetric analysis (TGA) on divided materials. Special care was given to the validation of the usual kinetic assumptions such as steady state and rate-determining step assumptions. The aim was to obtain a model describing the reaction in order to explain the influence of intensive variables such as carbonation temperature and CO2 partial pressure. TGA curves obtained under isothermal and isobaric conditions showed an induction period linked to the nucleation process and a strong slowing down of the reaction rate once a given fractional conversion was reached. Both phenomena were observed to depend on carbonation temperature and CO2 partial pressure. To explain these results, the evolution of texture and microstructure of the solid during the reaction was regarded as essential. Reaction at the grain scale induces a volume increase from CaO to CaCO3 which causes a change in the porosity characteristics at the aggregates scale, which could block the access of the gas to the core of aggregates. Temperature jumps during TGA experiments have put in evidence a complex kinetic behavior since three distinct domains must be distinguished, over all the conversion range, whatever the temperature and CO2 pressure could be. The discussion of the results emphasizes the role of the porosity on the kinetic anti-Arrhenius behavior observed in the second domain. So carbonation reaction can be described by a two scales model: at a nonporous grain scale for the chemical reaction and at the aggregate scale, for the CO2 intergranular diffusion. The kinetic modeling, thanks to the software CIN4 (developed in collaboration with Astek), is able to couple both modeling scales in order to explain the kinetic slowing down and the influence of temperature and CO2 partial pressure on the reaction rate.

Les travaux menés dans cette Thèse ont consisté à développer un pilote expérimental prouvant la faisabilité de la capture de CO2 par boucle chimique calcium en utilisant des chaudières du type Lit Fluidisé Circulant. Ceux-ci ont été conduits en deux phases: une phase expérimentale à l'échelle du laboratoire avec l'interprétation théorique des résultats et une phase expérimentale à l'échelle du pilote dans le but de valider le procédé. Les résultats expérimentaux à 1'échelle du laboratoire ont permis de montrer que le frittage de CaOest la cause de la décroissance du taux de carbonatation au cours des cycles successifs calcination/carbonatation. La vitesse de frittage étant accélérée par la présence de CO2 pendant la phase de calcination. Les analyses menées sur les échantillons calcinés ont révélé l'apparition d'une structure de micrograin à l'intérieur des grains initiaux de carbonate. Les micrograins de CaO non frittés sont le siège de la réaction de carbonatation.Un procédé de capture de CO2 par boucle chimique calcium a été conçu et réalisé. Il se compose de deux lits fluidisés circulants, un réacteur de carbonatation assurant la capture du CO2 et un réacteur de calcination permettant la régénération de la chaux. Ces deux lits fluidisés circulants sont couplés de façon à permettre un fonctionnement continu du procédé de capture de CO2. Malgré le faible rendement de capture obtenu à l'échelle de ce pilote (entre 18 à 23%), ces résultats apparaissent encourageants pour le développement de cette technologie, compte tenu du fait que beaucoup de facteurs limitant le rendement de capture disparaissent avec le changement d'échelle. / The works led in this Thesis consisted in developing an experimental pilot proving CO2 capture feasibility by calcium chemical looping using Circulating Fluidised Bed as boilers. These were undertaken in two step: At the laboratory scale with theoretical interpretation of the experimental results and at the pilot scale in the aim to validate the process.The experimental results on the scale of the laboratory allowed to show that the sintering of CaO bring about the decreasing of the carbonation rate during calcination/carbonation cycles. The sintering velocity are accelerated by CO2 during the calcinations step. The analysis of the calcined samples showed a micrograins structure inside the initial carbonate grains The not sintered CaO micrograins are the location of the carbonation reaction.A process of CO2 capture by calcium chemical looping was designed and built. It was made by two circulating fluidized beds, a carbonator where the CO2 capture were performed and the calcinator allowing the lime regeneration. These two circulating fluidized beds are coupled allowing a continuous CO2 capture.In spite of the low capture efficiency obtained on the scale of this pilot (from 18 to 23 %), these results seem encouraging for the development of this technology, considering the fact that many limiting factors of the capture efficiency disappear with the change of scale.

Les ciments sulfoalumineux (CSA) peuvent être une solution à l’amélioration de l’impact environnemental des bétons, grâce aux faibles consommations énergétiques et émissions de CO2 lors de leur fabrication. Leurs propriétés expansives, de rapidité de prise et de montée en résistance participent également à l’intérêt grandissant dans les domaines de la construction et de la préfabrication en béton pour ce type de liant. Toutefois, la durabilité des bétons sulfoalumineux reste encore méconnue ou discutée, notamment en milieux acides et face à la corrosion des armatures, en ambiance marine et par carbonatation. Les travaux présentés dans cette thèse se proposent ainsi d’étudier et de comparer la durabilité face à ces attaques, de bétons sulfoalumineux à celle de bétons de référence à base de CEM I et de CEM III/B. Ils s’appuient sur des caractérisations performantielles (indicateurs de durabilité, essais performantiels en conditions accélérées ou naturelles) et microstructurales (phases solides, porosité). Au préalable, l’application des caractérisations sus-citées aux bétons sulfoalumineux est vérifiée et discutée. La bonne résistance des bétons sulfoalumineux aux milieux acides est observée lors d’essais de lixiviation dynamique, à température et pH régulés. L’étude de la pénétration des chlorures (migration en régime permanent et transitoire, isothermes de fixation, exposition en zone de marnage) et de la carbonatation (naturelle et accélérée) de bétons à base de 8 ciments sulfoalumineux de laboratoire différents a permis d’établir des moyens d’améliorer leur durabilité potentielle. Ces moyens ont été appliqués à la fabrication d’un ciment industriel performant, dont la bonne durabilité reste toutefois à confirmer définitivement en conditions réelles. / Calcium sulfoaluminate (CSA) cements can be a solution to improve the environmental impact of concrete, thanks to the lower energy consumption and CO2 emission during their production. Their expansive, fast setting and rapid hardening properties contribute to the growing interest of engineers for concrete construction and prefabrication. However, the durability of sulfoaluminate concretes is not clearly assessed yet, especially in acidic and marine environments, as well as carbonation and chloride induced rebars corrosion. Thus, the aim of this thesis is to study and compare the durability, related to these attacks, of concretes made with CSA cements to ordinary Portland and GGBS cements based reference concretes. This study is founded on microstructural (solid phases, porosity) and performancial (durability indicators, natural and accelerated tests) characterization. Beforehand, the application of these characterizations to CSA concretes is verified and discussed. These show a good resistance to acidic environments when submitted to dynamic leaching tests at pH 3 and 5. The study of chloride ingress (steady and non-steady state migration, binding isotherms and tidal zone exposition) and carbonation (natural and accelerated) in concretes of 8 different laboratory CSA cements enabled us to find achievable means to improve their potential durability. These means were applied to the production of a performant industrial CSA cement, whose good durability has still to be assessed on field conditions.

De nos jours, l’utilisation de liants à faible teneur en clinker est de plus en plus courante. Or la cinétique de réaction des additions minérales utilisées est plus lente que celle du clinker. Si les conditions de cure ne sont pas adaptées, le matériau aura une structure poreuse plus importante, ce qui le rendra plus sensible à la pénétration des agents agressifs extérieurs comme le CO2 ou les Cl-. La carbonatation du béton est l’un des principaux phénomènes pouvant diminuer la durée de vie d’une structure en béton armé. En effet, elle entraine une diminution du pH de la solution interstitielle qui a pour conséquence une dépassivation des armatures, puis la corrosion de ces dernières si les conditions s’y prêtent.L’objectif de cette thèse est d’étudier l’impact de la carbonatation au jeune âge sur des liants à faible teneur en clinker. Pour cela l’étude se compose de deux aspects : le premier est l’étude de l’impact de l’hydratation et de la carbonatation sur les propriétés de transport et les isothermes de sorption hydrique, et le second est l’étude de l’impact du couplage hydratation-séchage-carbonatation sur la microstructure et la structure poreuse. Pour le premier aspect, les propriétés de transport étudiées sont la diffusion de l’O2, la diffusion de la vapeur d’eau, la perméabilité à l’eau liquide qui sont des données d’entrée dans les modèles de carbonatation ainsi que la perméabilité aux gaz qui est un indicateur de durabilité. Pour le second aspect, l’impact du couplage est mesuré par ATG et DRX pour déterminer l’assemblage de phases, de plus de la porosimétrie par intrusion de Mercure et des pesées hydrostatiques sont effectuées pour détecter le changement de la structure poreuse. Les matériaux étudiés sont des pâtes de ciment et des bétons avec un rapport eau/ liant de 0,57 avec l’un des trois liants suivants : CEM I, CEM I +30% de cendres volantes et CEM I +60% de laitiers.Pour le premier aspect, les résultats montrent que pour les pâtes de CEM I le temps de cure a un faible impact sur les isothermes de sorption de vapeur d’eau s’il est compris entre 3 jours et 6 mois. Alors que, pour les pâtes de CEM I + 60% de laitier, l’augmentation du temps de cure accroit significativement la teneur en eau (pour HR=65%, tcure=3 jours et pour tcure=6 mois ) dû à une augmentation de la teneur en C-S-H. D’autre part, la carbonatation entraine une diminution de la teneur en eau de l’échantillon, ainsi que l’amplitude de l’hystérésis. De plus, le gel a une porosité plus grossière. Par ailleurs, la carbonatation entraine une augmentation de la perméabilité aux gaz des matériaux. Pour le second aspect, les résultats montrent que l’utilisation d’additions minérales diminue la résistance à la carbonatation du matériau et que cette résistance augmente avec le temps de cure si l’échantillon contient des additions. La carbonatation de la portlandite, des C-S-H et des aluminates est concomitante. De plus, pour les matériaux aux laitiers, les résultats montrent qu’ils sont plus sensibles à la carbonatation des C-S-H et des aluminates que les CEM I. En effet quand le rapport variation molaire de CaCO3 sur variation molaire de Portlandite est calculé, il vaut 1.8 pour le CEM I et environ 3.5 pour les matériaux aux laitiers. Enfin, la carbonatation entraine une diminution du degré de saturation de l’échantillon. En effet, le degré de saturation à la surface de l’échantillon passe de 50% à 35% après carbonatation pour les échantillons de CEM I et de 50% à 5% pour les échantillons de CEM I + 60% de laitiers. Cette diminution peut s’expliquer par la diminution de la surface spécifique qui est divisée par 2 après carbonatation due à la décalcification des C-S-H. Même si la carbonatation entraine une diminution de porosité cette dernière est trop faible dans ce cas pour contrer cet effet / Nowaday, low clinker content binders are used more and more often. But the kinetics reactions of the supplementary cementitious materials (SCM) are slower than this one of clinker. If the curing conditions are not adapted, material will have a bigger pore structure and becomes more sensitive to the ingress of aggressive species from the environment like the CO2 or Cl-. Carbonation is one of main phenomena which can lead to decrease the life time of reinforced concrete structure. Indeed, it leads to a decrease of pore solution pH which leads to the depassivation of rebar. Then these rebars can be corroded if the conditions are appropriate.The aim of this thesis is to study the impact of carbonation at early age for binder with a low clinker content. This study was composed of two aspects: the first one is focus on the impact of hydration and carbonation on the transport properties and the water vapour sorption isotherms (WVSI), and the second one is focus on the impact of coupling hydration – drying-carbonation on the microstructure and the pore structure. For the first aspect, the studied transport properties was O2 diffusivity, water vapour diffusivity, water liquid permeability which are inputs for carbonation modelling and the intrinsic gas permeability which is a durability factor. For the second aspect, the coupling impact was measured by TGA and DRX to determine the phase assemblage; moreover Mercury intrusion porosimetry (MIP) and hydrostatic weigh were carried out to measure the change in the pore structure. The studied materials were cement pastes and concretes with water to binder ratio of 0.57 with one of the following binders: CEM I, CEM I +30% PFA and CEM I + 60% GGBS.For the first part, results show that a curing time between 3 days and 6 months has a low impact on the WVSI for the CEM I paste. Whereas, in the CEM I +60% GGBS paste, when the curing time increases, the water content increases (for a RH=65%, tcuring=3 days and for tcuring=6 months ), this is due to the increase of the C-S-H content. Moreover, carbonation leads to decrease the water content and the hysteresis becomes flat. Additionally, carbonation leads to increase the intrinsic gas permeability. For the second part, the results show that the use of SCM decreases the carbonation resistance and this resistance increases with the curing time. Carbonation of Portlandite, C-S-H and aluminates occurs in the same time. Moreover, the CEM I +60% GGBS paste are more sensitive to the carbonation of C-S-H and aluminates than the CEM I paste. Indeed, the molar variation of CaCO3 to the molar variation of Portlandite ratio has a value around 3.5 for the CEM I +60% GGBS and 1.8 for the CEM I. Finally, carbonation leads to decrease the water saturation degree at the surface of sample. Indeed, the degree of saturation at the surface of the sample increases from 50% to 35% after carbonation for the CEM I paste and from 50% to 5% for the CEm I +60% GGBS paste. This decrease can be explained by the decrease of the BET specific surface which is divided by 2 after carbonation. It is due to the decalcification of C-S-H. Although carbonation leads to a decrease of porosity, this one is too small in this case to counter this effect

Ce travail est une contribution à la compréhension des processus d'altération de matériaux cimentaires par des eaux de pluie et des eaux sulfatées. Il est le fruit d'une collaboration entre géochimistes et cimentiers, les bétons pouvant être considérés comme des roches. Pour les eaux de pluie, les conditions envisagées en laboratoire ont été l'altération par de l'eau sous atmosphère inerte, sous atmosphère carbonatée et de l'eau acidifiée à pH égal à 4. Les échantillons testés ont été des pâtes, des mortiers et un béton à ultra hautes performances. Concernant les eaux sulfatées, des échantillons de mortier à base de ciment Portland ordinaire et de ciment Portland résistant aux sulfates ont été immergés dans une solution de Na₂SO₄ dissous. Les zonations chimiques et minéralogiques survenues dans les échantillons altérés ont été étudiées par microscopie électronique à balayage, diffraction aux rayons X et microsonde électronique. Pour comprendre l'origine des modifications survenues dans les échantillons près expérience, nous avons adopté une approche thermodynamique à l'équilibre. Le système chimique exploré a été le système CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-CO₂-H₂O à 25°C sous une atmosphère. D'après nos résultats expérimentaux, les constituants CaO, SO₃ et CO₂ se sont comportés comme en système ouvert, et SiO₂ et Al₂O₃ comme en système fermé. Des diagrammes de phases en potentiels chimiques ont été construits avec le logiciel "Zen+K" basé sur la minimisation de l'enthalpie libre de Gibbs. Pour chaque condition d'altération expérimentée, nous proposons un cheminement dans les diagrammes permettant de retrouver les zonations. Ces cheminements sont compatibles avec des modèles existants. De plus, ils montrent l'influence de l'activité de l'eau sur la présence du monosulfoaluminate de calcium. Enfin, ce travail a validé une démarche analytique et thermodynamique applicables à des conditions d'altération plus complexes.

La carbonatation atmosphérique est un des facteurs parmi les plus importants de la durabilité du béton armé. Elle repose sur l'action du CO2 de l'atmosphère qui diffuse à travers le béton et se dissout en acide au contact de la solution interstitielle. Cette acidification du milieu induit une dissolution de la portlandite qui constitue la réserve de basicité du béton. La baisse du pH, d'une valeur de l'ordre de 13 à une valeur inférieure à 9, peut conduire à la corrosion des aciers du béton armé qui ne sont passivés et protégés qu'en milieu fortement basique. L'objectif de la thèse est de construire un modèle physico-chimique de carbonatation des matériaux cimentaires permettant de prédire la chute du pH de la solution interstitielle, variable pertinente pour appréhender la corrosion des armatures. Une riche campagne d'analyses thermogravimétriques, de gammadensimétries et de porosimétries par intrusion de mercure, réalisées sur 3 bétons différents et plusieurs pâtes de ciment à base de CEM I, permet de comprendre les mécanismes physico-chimiques, de déterminer les conséquences de la carbonatation sur la microstructure et l'état hydrique des matériaux, de calibrer et enfin de valider le modèle proposé à partir d'essais de carbonatation accélérée.