abstract: Ultra High Performance (UHP) cementitious binders are a class of cement-based materials with high strength and ductility, designed for use in precast bridge connections, bridge superstructures, high load-bearing structural members like columns, and in structural repair and strengthening. This dissertation aims to elucidate the chemo-mechanical relationships in complex UHP binders to facilitate better microstructure-based design of these materials and develop machine learning (ML) models to predict their scale-relevant properties from microstructural information.To establish the connection between micromechanical properties and constitutive materials, nanoindentation and scanning electron microscopy experiments are performed on several cementitious pastes. Following Bayesian statistical clustering, mixed reaction products with scattered nanomechanical properties are observed, attributable to the low degree of reaction of the constituent particles, enhanced particle packing, and very low water-to-binder ratio of UHP binders. Relating the phase chemistry to the micromechanical properties, the chemical intensity ratios of Ca/Si and Al/Si are found to be important parameters influencing the incorporation of Al into the C-S-H gel. ML algorithms for classification of cementitious phases are found to require only the intensities of Ca, Si, and Al as inputs to generate accurate predictions for more homogeneous cement pastes. When applied to more complex UHP systems, the overlapping chemical intensities in the three dominant phases – Ultra High Stiffness (UHS), unreacted cementitious replacements, and clinker – led to ML models misidentifying these three phases. Similarly, a reduced amount of data available on the hard and stiff UHS phases prevents accurate ML regression predictions of the microstructural phase stiffness using only chemical information. The use of generic virtual two-phase microstructures coupled with finite element analysis is also adopted to train MLs to predict composite mechanical properties. This approach applied to three different representations of composite materials produces accurate predictions, thus providing an avenue for image-based microstructural characterization of multi-phase composites such UHP binders. This thesis provides insights into the microstructure of the complex, heterogeneous UHP binders and the utilization of big-data methods such as ML to predict their properties. These results are expected to provide means for rational, first-principles design of UHP mixtures. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Engineering 2020

Hydrated cement paste (HCP), which is present in various cement-based materials, includes a number of constituents with distinct nano-structures. The elastic properties of the HCP crystals are calculated using molecular dynamics (MD) methods. The accuracy of estimated values is verified by comparing them with the results from experimental tests and other atomistic simulation methods. The outcome of MD simulations is then extended to predict the elastic properties of the C-S-H gel by rescaling the values calculated for the individual crystals. To take into account the contribution of porosity, a detailed microporomechanics study is conducted on low- and high-density types of C-S-H. The obtained results are verified by comparing the rescaled values with the predictions from nanoindentation tests. Moreover, the mechanical behavior of the HCP crystals is examined under uniaxial tensile strains. From the stress-strain curves obtained in the three orthogonal directions, elastic and plastic responses of the HCP crystals are investigated. A comprehensive chemical bond and structural damage analysis is also performed to characterize the failure mechanisms of the HCP crystals under high tensile strains. The outcome of this study provides detailed information about the nonlinear behavior, plastic deformation, and structural failure of the HCP phases and similar atomic structures.

The viscoelastic behavior of concrete, nearly completely attributable to changes in properties in the cement paste, is an ongoing area of research with the objective of avoiding unpredictable response and potentially failure of concrete structures. This research explores the elastic and viscoelastic response in cement paste beams using relaxation testing, with and without strain reversals in the load history. It was seen that strain reversal imparts significant changes in mechanical response, retarding load relaxation. Companion beams were tested for chemical composition at varying depths in the beam section and the results were compared to those of control specimens not subject to stress. Results indicate significant variations in composition implying that stress accelerates the hydration process. The reasons behind the acceleration are discussed and incorporated into a preliminary solidification-dissolution model for beam relaxation. The model, though in need of improvement through further research, shows promise in potentially predicting relaxation in cement paste and by extension, in concrete structures. / Ph. D.

Dans cette thèse, les travaux présentés s’appuient sur une démarche expérimentale utilisant, outre les mesures destructives habituellement mises en œuvre pour la caractérisation des matériaux cimentaires, les techniques non destructives exploitant la propagation des ondes ultrasonores à des fréquences comprises entre 50 kHz et 600 kHz. L’objectif est d’étudier les corrélations entre les propriétés hydrauliques et mécaniques de la pâte de ciment et les paramètres linéaires des ondes ultrasonores (vitesse et atténuation). L’étude concerne plus particulièrement les relations entre la porosité et la vitesse ultrasonore des différents types d’onde (ondes de volume et onde de Rayleigh). Les matériaux étudiés sont des pâtes de ciment à porosité variable, confectionnées avec différents rapports E/C et avec différents dosages en entraineur d’air. Afin de prendre en compte l’effet de la teneur en eau, les mesures sont effectuées à différents états de saturation : état saturée, 70% de saturation, 30% de saturation et l’état sec. Les données recueillies permettent la constitution d’une base des données expérimentale regroupant les caractéristiques physiques, mécaniques et ultrasonores de la pâte de ciment. Dans la dernière partie de cette thèse, les relations entre les vitesses ultrasonores et la porosité basées sur deux approches macroscopique et microscopique sont présentées et confrontées aux mesures / In this thesis, we present an experimental study including, besides the destructive measurements usually implemented for the characterization of cementitious materials, non-destructive techniques using ultrasonic wave propagation in a frequency range from 50kHz to 600kHz. The objective is to study the correlations between hydraulic, mechanical properties and linear ultrasonic parameters (velocity and attenuation) of cement paste. This study specifically addresses the relationship between porosity and ultrasonic velocity of the different types of waves (body waves and Rayleigh wave). The studied materials are cement pastes with variable porosity, made up with different water / cement ratios and with different concentrations of air entrainer. To take into account the effect of water content, measurements are made at different states of saturation: saturated state, 70% saturation, 30% saturation and dry state. The data collected allows the creation of a database of experimental data involving physical, mechanical and ultrasonic parameters of cement paste. In the final part of this thesis, relationships between ultrasonic velocity and porosity based on macroscopic and microscopic approaches are presented and compared with measurements

La carbonatation est une pathologie qui affecte les matériaux à base de ciment tels que les bétons et lesmortiers. Les zones carbonatées du matériau deviennent fragiles et perdent ainsi leur pouvoir deprotection des aciers contre la corrosion. Les produits de corrosion engendrent alors une dégradation dubéton pouvant aboutir à la ruine de la structure.Six types de bétons adjuvantés et deux pâtes de ciments ont été formulés grâce à une étude rhéologiqueafin d’étudier l’effet de la carbonatation accélérée et naturelle sur la durabilité des bétons et des pâtesde ciments à base de ressources algériennes. Pour ce faire, plusieurs méthodes d’investigation sontutilisées, aussi bien à l’échelle macroscopique que microscopique.En conclusion, le modèle rhéologique empirique développé peut être utilisé pour formuler des bétonsrésistants à la carbonatation. L’étude de la carbonatation démontre que le protocole accéléré, peut serévéler moins agressifs que la carbonatation naturelle, notamment pour des pâtes de ciment denses.Dans ce cas, la carbonatation accélérée de la surface tend à combler la microporosité superficielle dubéton, freinant ainsi la diffusion du dioxyde de carbone, contrairement à la carbonatation naturelle quiagit de manière plus diffuse sans totalement obstruer la porosité. Moins les bétons sont compacts, plusle protocole accéléré s’avère effectif. / The carbonation is a pathology which affects cement-based materials such as concretes and mortars.The carbonated skin of material becomes brittle and losses the protection of inner steels againstcorrosion. The corrosion products generate a degradation of the concrete which may lead to thecollapse of the structure.Six types of adjuvant concretes and two cement pastes have been designed by a rheological study inorder to study the effect of accelerated and natural carbonation on the sustainability of concretes andcement pastes based on algerian resources. For this purpose, several investigation methods were usedwith both macroscopic and microscopic scales.In conclusion, the empirical rheological model developed herein can be used to formulate concretesresistant to carbonation. The study of carbonation shows that the accelerated protocol may be lessaggressive than the natural one, especially for dense cement pastes. In this case, the acceleratedcarbonation of the surface tends to fill up the superficial microporosity of the concrete, slowing downthe production of carbon dioxide, contrary to the natural carbonation which acts more diffusely withoutcompletely obstructing the pores. The lesser compact is the concrete, the more effective is theaccelerated protocol.

Une part importante de la détérioration des réseaux d’assainissement en matériau cimentaire est d’origine biologique. Dans ce contexte, les matériaux à base de ciment alumineux ont montré une meilleure durabilité que ceux à base de ciment Portland ordinaire, couramment utilisés. Les hypothèses de la littérature qui expliqueraient cette meilleure résistance sont centré sur l’aluminium (présent à plus de 50% dans les ciments alumineux pour seulement 5% dans les ciments Portland). L’objectif de cette thèse est de caractériser et hiérarchiser les mécanismes de résistance des matériaux cimentaires lors de la biodétérioration. Cela permettra de comprendre le rôle de l’aluminium dans les interactions entre les microorganismes et les matériaux cimentaires. Après des études en réacteur et des tests de biodétérioration de pâte de ciments en laboratoire, il semblerait que la principale cause de résistance est due à la réactivité des matrices cimentaires plus qu’à un effet inhibiteur de l’aluminium ou du matériau sur les microorganismes. / An important part of the deterioration observed in concrete sewer networks is due to biological activity. In this context, calcium aluminate cement (CAC) based material has shown a better durability than ordinary Portland cement, usually used in such context. In literature, hypothesis explaining the better resistance are focused on aluminium. The aim of the project is to characterize the role of aluminium in the interactions between cementitious material and microorganisms. Reactor study and Lab scale aggressive biodeterioration protocol of cementitious material revealed that the better resistance of CAC is due to their lower reactivity and not to a bacteriostatic effect of the material on the microorganisms.

Ces travaux s’intéressent au comportement de pâtes de ciment de différentes natures cimentaires exposées à une eau douce naturelle et plus particulièrement aux interactions avec les éléments biologiques. Cette étude est basée sur l’analyse comparative d’échantillons placés en milieu naturel (Moselle) et en milieux artificiels de laboratoire. Quels que soient les milieux et les microorganismes considérés, les résultats montrent une modification de la minéralogie de la surface et du réseau poreux des échantillons (taux de porosité, propriétés de transferts). Les essais en laboratoire ont permis d’isoler l’influence spécifique des bactéries dans les phénomènes de biolixiviation. Le dénombrement bactérien montre aussi que la densité de cellules présentes dans le biofilm recouvrant les échantillons dépend peu de la nuance cimentaire, excepté pour les ciments au calcaire. Les observations au MEB ont révélé, sur l’ensemble des échantillons, la présence abondante de diatomées en partie recouvertes par une couche minérale issue d’une cristallisation secondaire. La colonisation de la surface par ces diatomées est influencée par la géométrie et la nature minéralogique des échantillons. Les résultats d’essais en laboratoire ont montré qu’elles ont des interactions avec la pâte de ciment, l’évolution des densités de population de diatomées coïncide en effet avec l’évolution des caractéristiques de porosité (taux de porosité, propriétés de transferts) / This work focuses on the behavior of cement pastes of different cement bases exposed to natural fresh water and on the interactions with the biological elements. This study is based on the comparative analysis of samples immersed in natural environment (Moselle) and in artificial laboratory media. Whatever the media and microorganisms considered, the results show a change in the mineralogy of the surface and the porous network of the samples (porosity rate, transfer properties). Laboratory tests highlighted the specific influence of bacteria in bioleaching phenomena. The bacterial count also shows that the density of cells present in the biofilm covering the samples does not mainly depend on the cementitious grade, except for the limestone cements. The SEM observations revealed the abundant presence of diatoms on all samples. Diatoms are partly covered by a mineral layer resulting from secondary crystallization. The colonization of the surface by these diatoms is influenced by the geometry and mineralogical nature of the samples. The results of laboratory tests have shown that they interact with cement paste; the evolution of diatom population densities coincides with changes in porosity characteristics (porosity rate, transfer properties)

Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat au cours de l’hydratation et au cours de la dégradation chimique par lixiviation. La microstructure de l'interphase entre la pâte de ciment et les granulats est caractérisée par une porosité supérieure à celle de la pâte de ciment. Cette zone constitue un point de fragilité dans le béton et ses propriétés affectent fortement le comportement mécanique du béton à l’échelle macroscopique et à l’échelle de la structure. Dans ce travail, la résistance de l’interphase pâte de ciment-granulat est analysée expérimentalement à l'échelle locale. Des essais expérimentaux sont réalisés sur des composites constitués de granulats liés par une pâte de ciment portland préparée avec un rapport Eau/Ciment de 0,5. Des dispositifs expérimentaux dédiés ont été conçus et réalisés de manière à être adaptés à la taille et à la forme des échantillons. La forme des échantillons utilisés et les outils expérimentaux développés permettent de solliciter directement l’interphase. A différents stades de l'hydratation, des échantillons de pâte de ciment seule et des composites sont soumis à des essais de compression, de traction et de cisaillement direct. L’étude des propriétés mécaniques de l’interphase pâte de ciment-granulat révèle une faiblesse de cette zone en termes de propriétés mécaniques..Le protocole expérimental mis au point a permis d’étudier les effets du mécanisme de lixiviation du calcium au niveau de l’interphase sur les propriétés mécaniques du béton à l’échelle locale. Compte tenu du temps caractéristique long du phénomène de lixiviation, la mise en situation expérimentale au laboratoire est accélérée en remplaçant l’eau par une solution de nitrate d'ammonium. Afin de quantifier le développement et la cinétique de dégradation au niveau de la liaison cimentée, les fronts de lixiviation du béton sont caractérisés à différents degrés de dégradation en utilisant la phénolphtaléine comme traceur. Des essais mécaniques locaux (compression, traction et cisaillement) sont réalisés sur les composites et sur la pâte de ciment à différents temps de dégradation. L’étude de l’effet de la lixiviation à l’échelle locale montre le rôle important de l’interphase pâte de ciment-granulat lors du processus de dégradation chimique sur les propriétés mécaniques du composite. / In this work, we presents an experimental study to characterize the mechanical properties at the local scale of the cement paste-aggregate interface during hydration and during chemical degradation by leaching.It is generally accepted that the microstructure of the interface between the aggregates and the cement paste is characterized by a higher porosity than that of cement paste. This makes this zone a weak point in the concrete. The particular properties of this zone strongly influence the mechanical behavior of concrete. In this work, the mechanical properties of the cement paste-aggregate composite, are experimentally studied. The experimental tests are performed on composites at classical aggregate scale (one centimeter of section). These composite are composed by and Portland cement paste and aggregate. The cement paste is prepared with a water/cement ratio of 0.5. The shape of the prepared composites makes them convenient for direct tensile and shear tests. At different stages of hydration, we performed direct tensile and shear tests on the composites by means of specific devices. The same tests were carried out on the cement paste in order to compare with composites results. The shape of the prepared composites makes them convenient to characterize the cement paste-aggregate interface. At different stages of hydration, the composites are subjected to compression tests, direct tensile tests or shear tests. The study of the mechanical properties of the cement-aggregates interface revealed that the cement paste-aggregate interface is the weakest zone in the composite.An experimental protocol was developed to study the effects of calcium leaching mechanism at the cement paste-aggregate interface on the mechanical properties of the concrete. As the process of leaching with the deionised water occurs very slowly, the experimental study in the laboratory is accelerated by replacing the water by ammonium nitrate solution. To quantify the development and kinetics of degradation at the cemented bond, the concrete leaching fronts are characterized at different levels of degradation by using phenolphthalein. Local mechanical tests (compression, tensile and shear) are performed on composite and cement paste at different stages of degradation. The experimental results show that there is a leaching effect on the alteration of the mechanical properties at the cement paste-aggregate interface.

La valorisation, comme granulats, des matériaux issus du recyclage du béton de démolition contribueà diminuer les surfaces dédiées au stockage des déchets et à limiter le recours systématique auxressources naturelles. L’emploi de fines recyclées à partir de béton de déconstruction s’inscrit danscette démarche et permet par ailleurs, quand la fine est utilisée en substitution partielle du cimentlors de la fabrication de nouveaux matériaux cimentaires, de réduire l’impact sur l’environnement deces matériaux.Cet usage conduit à mettre en présence dans la pâte à l’état frais du ciment anhydre et du cimenthydraté, ce qui pose la question de l’impact de cette situation sur le matériau. Pour y répondre enpartie, les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour objectifs principaux d’étudier leprocessus d’hydratation d’une phase anhydre en présence d’autres phases hydratées, et d’analyserl’influence des conditions thermo-hydriques de conservation (HR et T°) sur les cinétiquesd’hydratation des matériaux cimentaires.Pour ce faire, une campagne expérimentale a été menée sur des mortiers et leurs pâtes de cimentéquivalentes fabriqués en remplaçant une partie de leur ciment Portland par une fine issue durecyclage d’une pâte de ciment durcie et bien hydratée. Un suivi au cours du temps des teneurs enPortlandite, de la porosité totale, de la résistance à la compression ainsi que de la résistance à lacarbonatation accélérée des matériaux a été réalisé. Les résultats obtenus montrent qu’il est possiblede fabriquer des mortiers en substituant le ciment par une fine obtenue uniquement par concassageet broyage d’une pâte de ciment durcie. Cependant, l’augmentation du taux de substitution massiquedu ciment par la fine recyclée s’accompagne d’une altération des propriétés et performances desmortiers. Les résultats du suivi d’hydratation couplés aux résultats d’analyse de la microstructure ontmontré que l’effet des conditions thermo-hydriques de conservation sur les cinétiques d’hydratationdes différentes pâtes de ciment dépend de leurs propriétés intrinsèques (microstructure). Celapourrait expliquer l’absence de consensus dans la littérature sur la valeur de l’humidité relativeambiante conduisant à l’arrêt de l’hydratation.En parallèle à l’étude expérimentale, une étude numérique de l’influence des conditions thermohydriquesde conservation sur l’hydratation des pâtes de ciment a été menée. Pour les besoins del’étude, une réadaptation du code de calcul utilisé, CEMHYD3D, a été nécessaire. Les résultatsobtenus montrent que, lors de l’hydratation, la Portlandite initialement présente dans le matériau(apportée par la fine recyclée) se dissout au contact de l’eau alors que la phase encore anhydre enproduit. Cette étude a également permis de conforter les résultats expérimentaux quant à l’influencede l’humidité relative ambiante sur l’hydratation. / The use, as aggregates, of recycled materials from demolished concrete contributes to limit landfill and the systematic use of natural resources. Using recycled fines from the deconstruction concrete is an extension of this approach. When used as a partial substitution for cement in cementitious materials, it may also be a solution to reduce the environmental impact of these materials.This specific use induces the presence of anhydrous cement particles and hydrated cement phases in the fresh material. This raises the question whether and how it can impact the hydration process. With the aim to answer, at least partially, to this question, the thesis presents a study of the hydration process of an anhydrous phase in the presence of other hydrated phases, and analyzes the influence of the conservation conditions (RH and T°) on the hydration kinetics of cementitious materials.An experimental campaign was conducted on mortars and their equivalent cement pastes designed by replacing a part of their Portland cement by a recycled cement paste fine. The monitoring of the Portlandite content, the total porosity, the compressive strength and the accelerated carbonation of the materials was achieved. The obtained results show that it is possible to design mortars by substituting their cement by a fine obtained only from crushing and grinding of a hardened cement paste. However, increasing the substitution ratio of the cement by the recycled fine was find to be accompanied by a deterioration of the mortars properties and performances. The results of the hydration monitoring coupled to investigations of the microstructure showed that the effect of conservation conditions on the hydration kinetics of the different cement pastes depends on their intrinsic properties (microstructure). This could explain the lack of consensus in the literature on the drying conditions under which hydration kinetics are strongly affected.In parallel to the experimental study, a numerical study of the influence of the conservation conditions on the hydration of cement pastes was conducted. Readjustments of the parameters of the used code (CEMHYD3D) were necessary. The obtained results show that, during hydration, the Portlandite originally present in the material (provided by the recycled fine) dissolves in contact with water, while the anhydrous phase produces new Portlandite. This study consolidated moreover the experimental results on the influence of the ambient relative humidity on hydration.

This diploma thesis is divided into two parts, the theoretical and practical part. The theoretical part is to study of factors influencing the workability and bleeding of concrete. There is mentioned the production of cement and standard requirement. The task of the practical part is to assess the cements produced by the cement works Hranice and Prachovice. These cements test in terms of water separation. In combination with these cements use superplasticizing admixtures from Mapei and Stachema and determine the impact of water separation on cement pastes. Determine rheology on the cement pastes. Define influence of variations in cement composition affect the stability of cement mixtures.