Yes / The development of ultra-high performance cementitious composite (UHPCC) represents a significant advancement in the field of concrete science and technology, but insufficient hydration and high autogenous shrinkage relatively increase the pores inside UHPCC, in turn, affecting the macro-performance of UHPCC. This paper, initially, optimized the pore structure of UHPCC using different types and dimensions of nanofillers. Subsequently, the pore structure characteristics of nano-modified UHPCC were investigated by the mercury intrusion porosimeter method and fractal theory. Finally, the fluid permeability of nano-modified UHPCC was estimated by applying the Katz-Thompson equation. Experimental results showed that all incorporated nanofillers can refine the pore structure of UHPCC, but nanofillers with different types and dimensions have various effects on the pore structure of UHPCC. Specifically, CNTs, especially the thin-short one, can significantly reduce the porosity of UHPCC, whereas nanoparticles, especially nano-SiO2, are more conducive to refine the pore size. Among all nanofillers, nano-SiO2 has the most obvious effect on pore structure, reducing the porosity, specific pore volume and most probable pore radius of UHPCC by 31.9%, 35.1% and 40.9%, respectively. Additionally, the pore size distribution of nano-modified UHPCC ranges from 10-1nm to 105nm, and the gel pores and fine capillary pores in the range of 3-50nm account for more than 70% of the total pore content, confirming nanofillers incorporation can effectively weaken pore connectivity and induce pore distribution to concentrate at nanoscale. Fractal results indicated the provision of nanofillers reduces the structural heterogeneity of gel pores and fine capillary pores, and induces homogenization and densification of UHPCC matrix, in turn, decreasing the UHPCC fluid permeability by 15.7%-79.2%. / National Science Foundation of China (51978127, 52178188 and 51908103), the China Postdoctoral Science Foundation (2022M720648 and 2022M710973) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT21RC(3)039).

Yes / Over the past two decades, extensive research has been conducted to explore alternative supplementary cementitious materials (SCMs) in order to address the environmental concerns associated with the cement industry. Bricks, which are frequently preferred in the construction sector, generate a lot of waste during the production and demolition of existing buildings, requiring environmentally sustainable recycling practices. Therefore, many studies have been carried out in recent years on the use of brick waste as supplementary cementitious materials (SCMs) in cement mortar and concrete production. This critical review evaluates the impact of waste brick powder (WBP) on the mechanical and durability properties of mortar and concrete when used as a partial replacement for cement. It was observed that the properties of WBP-blended cement mortar or concrete depend on several factors, including WBP particle size, replacement ratio, pozzolanic activity, and mineralogical structure. The findings indicate that WBP with a particle size range of 100 µm to 25 µm, with a maximum cement replacement level of 10–20%, exhibits a positive impact on the compressive strength of both mortars and concretes. However, it is crucial to emphasize that a minimum curing duration of 28 days is imperative to facilitate the development of a pozzolanic reaction. This temporal requirement plays a vital role in realizing the optimal benefits of utilizing waste brick powder as a supplementary cementitious material in mortars and concretes.

Les matériaux cimentaires peuvent se détériorer grandement lorsqu'ils sont soumis à des cycles de gel/dégel avec ou sans sels de déverglaçage. Ceci peut porter atteinte à la durabilité à long terme des bétons/mortiers dans les régions aux hivers froids. Laissant de côté les processus d'endommagement et de rupture mécanique à l'oeuvre dans de tels problèmes, ce mémoire de thèse est consacré aux phénomènes physiques et thermo-mécaniques accompagnant la solidification de l'eau dans des solides poreux cohésifs, avec une attention particulière aux «propriétés matériau» issues de l'hydratation du ciment et de l'évolution de la microstructure. Ce travail reprend la poromécanique des milieux poreux partiellement gelés telle que développée par Olivier Coussy, tout en lui adjoignant une analyse de l'effet de la fin de la surfusion (en volume, hors contribution capillaire) et de la présence de sels dans le liquide saturant l'espace poreux. Nous avons mesuré la température de fin de surfusion en fonction de la concentration en sel. Ceci nous permet ensuite de calculer l'angle de contact entre la glace et les parois des pores dans le cadre classique de la nucléation hétérogène : on trouve que cet angle diminue avec la concentration en sel. Nous montrons que la dilatation instantanée consécutive à la fin de la surfusion dépend de la structure poreuse puisque cette dernière détermine la teneur en glace dans l'espace poreux. À l'aide de la distribution de tailles de pores estimée par porosimétrie par intrusion de mercure, nous estimons le degré de saturation en glace en fonction de la température et de la concentration initiale en sel via la relation de Gibbs-Thomson. Nous avons mesuré la déformation d'échantilllons de pâte de ciment saturées. L'analyse poromécanique montre que la déformation dépend de la concentration initiale en sel et de la structure poreuse des pâtes de ciment. En utilisant la même approche expérimentale sur des pâtes de ciment sèches, nous trouvons que la porosité (avec ou sans vide d'air entraîné) influence significativement le coefficient d'expansion thermique du matériau. En ce qui concerne les pâtes de ciment saturées, les mesures expérimentales et l'approche poromécanique en condition drainée ou non-drainée montrent que le degré de saturation initiale en liquide des vides d'air entraîné a un impact important sur la déformation de l'échantillon avec la température / When subject to freezing/thawing cycles with or without deicing salt, cement-based materials can suffer severe damage, which raises the long term sustainability problem of concrete/mortar in cold regions. Leaving aside the precise fracture mechanics and damage processes in this kind of problem, this PhD deals with the physical and thermomechanical phenomena undergone by cohesive porous solids under freezing, with particular attention to the material properties arising from cement hydration and microstructure development. The present work revisits the poromechanics of freezing porous materials developed by Olivier Coussy. This gives the opportunity to add the effect of the bulk supercooling and of salt in the liquid saturating the porous space.We measured the relation between depressed temperature at the end of bulk supercooling and salt concentration. We then obtained that the contact angle between ice and pore wall by heterogeneous nucleation decreases as salt concentration increases. We showed that the instantaneous dilation at the end of bulk supercooling is related to the pore structure because the latter determines the in-pore ice content. Using the pore size distribution measured by mercury intrusion porosimetry, we estimated the ice saturation degree with temperature and NaCl solution at different concentration through the Gibbs-Thomson equation. We measured the deformation of saturated cement pastes. The poromechanical analyses show that the strains depend on the initial salt concentration and pore structure of our cement pastes. By the same experimental approach on dried cement pastes, we concluded that the porosity (with or without air voids) has significant influence on the thermal expansion coefficient of our cement pastes. We also performed measurements on the deformation of saturated air entrained cement pastes. The results obtained by both experiments and poromechanical analyses under drained and undrained conditions showed that the initial saturation degree in air-voids has significant influence on the deformation curves with temperature

[pt] A utilização de materiais de construção civil a base de cimento reforçado com fibras vem aumentando rapidamente nos últimos anos. No Brasil um vasto programa experimental para avaliar o comportamento mecânico desses materiais através de ensaios de flexão monotônicos e de compressão, vem sendo desenvolvidos na PUC/RIO desde 1979. Este trabalho procura dar continuidade a essa linha de pesquisa, sendo o primeiro a estudar o comportamento em fadiga de compósitos cimentícios reforçados com polpa de bambu, através de curvas de vida-fadiga S-N e da cinética de crescimento de trincas. As curvas S-N foram levantadas para compósitos entalhados e não entalhados, contendo 6% em massa de polpa em relação a massa de cimento. Essas curvas foram modeladas, com base nas propriedades mecânicas básicas levantadas nos ensaios de compressão e flexão. Com o objetivo de verificar a aplicabilidade da lei de Paris à cinética de crescimento de trincas de fadiga nesses compósitos, foi levantada a relação entre o comprimento da trinca a e o número de ciclos N durante a propagação estável da mesma, adotando-se teores de reforço de 6 e 14% em relação a massa de cimento. Finalmente as superfícies de fratura foram avaliadas por meio de microscópio eletrônico de varredura. / [en] The use of fiber reinforced cementious composites as construction materials in civil engineering has rapidly grown in the last few years. In Brasil, a large experimental program for evaluating the mechanical behavior of these materials has been developed in PUC-RIO since 1979. The present study has the purpose of evaluating the fatigue behavior of cementitious composites by means of determining the S-N curves for notched and unnotched specimens. The fatigue curves were modeled using basic mechanical properties determined by means of compression and slow bend tests. With the purpose of verifying the applicability of Paris law to the fatigue crack growth kinetics, the crack length was determined as a function of the number of cycles N during stable crack propagation, for composites containing 6% and 14% weight percentage of bamboo pulp relative to the weight of cement. Finally, the fracture surface was analyzed by means of scanning electron microscopy.

A lower-alkalinity cement based on MgO and SiO2 blends is analysed to develop clinker-free Fibre Reinforced Cementitious Composites (FRCC) with cellulosic fibres in order to solve the durability problems of this type of fibres when used in FRCC with Portland cement. Hydration evolution from 7 to 28 days of different MgO-SiO2 formulations is assessed. The main hydration products are Mg(OH)2 and M-S-H gels for all the formulations studied regardless of age. Hardened pastes are obtained with pH values < 11 and good mechanical properties compared to conventional Portland cement. 60% MgO-40% SiO2 system is chosen as optimal for the development FRCC since is the most mechanical resistant and is less alkaline compared with 70% MgO-30% SiO2. FRCC based on magnesium oxide and silica (MgO-SiO2) cement with cellulose fibres are produced to study the durability of lignocellulosic fibres in a lower pH environment than the ordinary Portland cement (PC). Flexural performance and physical tests (apparent porosity, bulk density and water absorption) of samples at 28 days and after 200 accelerated ageing cycles (aac) are compared. Two types of vegetable fibres are utilised: eucalyptus and pine pulps. MgO-SiO2 cement preserves cellulosic fibres integrity after ageing, so composites made out of MgO-SiO2 exhibit significant higher performance after 200 cycles of accelerated ageing than Portland cement composites. High CO2 concentration environment is evaluated as a curing treatment in order to optimise MgO- SiO2 matrices in FRCC. Samples are cured under two different conditions: 1) steam water curing at 55°C and 2) a complementary high CO2 concentration (20% by volume). In carbonated samples, Mg(OH)2 content is clearly lowered while new crystals of hydromagnesite [Mg5 (CO3)4⋅(OH) 2⋅4H2O] are produced. After carbonation, M-S-H gel content is also reduced, suggesting that this phase is also carbonated. Carbonation affects positively to the composite mechanical strength and physical properties with no deleterious effects after ageing since it increases matrix rigidity. The addition of sepiolite in FRCC is studied as a possible additive constituent of the binding matrix. Small cement replacement (1 and 2% wt.) by sepiolite is introduced and studied in hardened cement pastes and, later, in FRCC systems. When used only in cement pastes, it improves Dynamic Modulus of Elasticity over time. Bending tests prove the outcome of this additive on the mechanical performance of the composite: it improves composite homogeneity. Ageing effects are reported after embedding sisal fibres in MgO-SiO2 and PC systems and submitting them to different ageing conditions. This comparative study of fibre degradation applied in different cementitious matrices reveals the real compatibility of lignocellulosic fibres and Mg-based cements. Sisal fibres, even after accelerated ageing, do neither suffer a significant reduction in cellulose content nor in cellulose crystallinity and crystallite size, when exposed to MgO-SiO2 cement. Fibre integrity is preserved and no deposition of cement phases is produced in MgO-SiO2 environment. / Um cimento de baixa alcalinidade à base de blendas de MgO e SiO2 é analisado para o desenvolvimento de Compósitos Cimentícios Reforçados com Fibras (CCRF) celulósicas sem clínquer para resolver os problemas de durabilidade de este tipo de fibras quando são usadas em CCRF com cimento Portland. A evolução da hidratação, desde 7 aos 28 dias, das diferentes formulações é avaliada. Os principais produtos hidratados são o Mg(OH)2 e o gel M-S-H para todas as formulações independentemente da idade estudada. As pastas endurecidas apresentam valores de pH < 11 e bom desempenho mecânico comparado com o cimento Portland convencional. O sistema 60% MgO-40% SiO2 é escolhido como a formulação ótima para o desenvolvimento de CCRF já que é a mais resistente e menos alcalina comparada com 70% MgO-30% SiO2. CCRF com cimento à base de óxido de magnésio e sílica (MgO-SiO2) e fibras celulósicas são produzidos para a análise da durabilidade das fibras lignocelulósicas em ambientes com valores de pH mais baixos comparados com o cimento Portland (PC). O desempenho mecânico a flexão e os ensaios físicos (porosidade aparente, densidade aparente e absorção de água) são comparados aos 28 dias e após de 200 ciclos de envelhecimento acelerado. O cimento à base de MgO-SiO2 preserva a integridade das fibras após o envelhecimento. Os compósitos produzidos com este cimento exibem melhores propriedades após 200 ciclos de envelhecimento acelerado que os compósitos produzidos com cimento Portland. Ambientes com alta concentração de CO2 são avaliados como tratamento de cura para otimizar as matrizes MgO- SiO2 nos CCRF. As amostras são curadas sob 2 condições diferençadas: 1) cura com vapor de água a 55oC e 2) cura com alta concentração de CO2 (20% do volume). As amostras carbonatadas apresentam teores reduzidos de Mg(OH)2 enquanto é produzida uma nova fase cristalina: hidromagnesita [Mg5 (CO3)4⋅(OH) 2⋅4H2O]. Após a carbonatação, o conteúdo de gel M-S-H é reduzido também, indicando uma carbonatação desta fase. A carbonatação aumenta a rigidez da matriz o que influi positivamente no desempenho mecânico e as propriedades físicas dos compósitos sem efeitos prejudiciais ao longo prazo. A adição de sepiolita em CCRF é estudada como possível adição na composição da matriz aglomerante. Baixos teores (1 e 2% em massa) de cimento são substituídos por sepiolita para o estudo das pastas de cimento hidratado e, posteriormente, dos compósitos. O Módulo Elástico Dinâmico das pastas é incrementado com o tempo pela adição de sepiolita. Os ensaios a flexão demostram que a adição de sepiolita melhora a homogeneidade dos compósitos. Reportam-se os efeitos das fibras de sisal após da exposição a sistemas MgO-SiO2 e PC e submetidas a diferentes condições de envelhecimento. Este estudo comparativo da degradação das fibras expostas a diferentes matrizes cimentícias mostra a compatibilidade das fibras lignocelulósicas com os cimentos à base de Mg. As fibras de sisal, inclusive após o envelhecimento acelerado, não apresentam nem redução significativa no conteúdo de celulose nem na cristalinidade da celulose assim como do tamanho de cristalito, quando expostas a cimentos MgO-SiO2.

O presente trabalho tem como objetivo identificar e analisar parâmetros que influenciam a aderência de matrizes cimentícias a substratos apontando soluções técnicas para a melhoria de tal propriedade. Para tanto, foram desenvolvidos três estudos independentes: primeiro, a elaboração e validação de um modelo matemático com base na restrição geométrica para verificar a contribuição da penetração de partículas em meios porosos. O modelo considera que, após serem lançadas sobre a superfície, as partículas com área de projeção no plano menor ou igual à área do poro podem penetrá-la; segundo, um estudo experimental comparando substratos cimentícios com mesmas características topográficas (rugosidade/porosidade) e diferentes níveis de absorção obtidos mediante tratamentos superficiais: aplicação de silano e lixamento para verificar o efeito da absorção do substrato. O controle da absorção foi realizado por medições do ângulo de contato aparente e ensaios de absortividade; e por último, a influência do teor de ligante da matriz foi avaliada pela substituição de 30% e 60% do cimento por finos calcários, com duas distribuições granulométricas, em argamassas aplicadas sobre blocos cerâmicos. O efeito da aglomeração de partículas foi estudado pela adição de dispersante a base de policarboxilato num teor de 0,02% em relação ao volume total de sólidos. As características reológicas das argamassas foram medidas por reometria rotacional. O desempenho mecânico da interface matriz-substrato foi avaliado pela resistência de aderência ä tração. Os resultados mostraram que a aderência depende de parâmetros mais complexos que a simples absorção do substrato e, consequente ancoragem mecânica pela penetração de partículas nos poros. O uso de partículas finas associadas a dispersantes e tratamentos superficiais do substrato aumentaram aderência pelo acréscimo de contato matriz-substrato. / This study aims to identify and analyse parameters that influence the adhesion among cementitious matrices and substrates pointing out technical solutions to improve this property. The research has been developed by means of three independent studies. The first one concerns the development and validation of a mathematical model, based on geometric constraints, for the estimation of the particles potential penetration in porous media. The model considers particles with projected area less than or equal to the pore area can penetrate the pore. The second study is an experimental comparison among cementitious substrates with same porosity and roughness and different levels of absorption achieved by surface treatment. The application of abrasive methods and a water repellent have been used to manage the effect of the absorption of substrates. The control of wettability and absorption has been carried out by measuring the apparent contact angle and sorptivity. The third one regards the evaluation of binders content in cementitious matrices. Mortars, with two different limestone fines, have been made and applied on red ceramic substrates (clay bricks). The limestone fines, with two different particle size distributions, have been added at rates of 30% and 60% as replacement of binders volume. The agglomeration of particles has been assessed adding a polycarboxylate type admixture (0.02% of total solids volume), whereas the rheological behavior have been determined using a rotational rheometer. The performance of interface between matrix and substrate has been determined measuring the tensile adhesive strength. Results showed that the adhesion depends on parameters more complex than the simple absorption of substrate and the consequent mechanical interlocking of particles into pores. The use of fine particles, combined with the dispersant and with the silane surface treatment increased the adhesion through the increase of the contact area.

No processo de beneficiamento da vermiculita é gerado um resíduo fino para o qual atualmente ainda não foi desenvolvida uma aplicação que possibilite a utilização em larga escala. Uma alternativa que vem sendo estudada é a associação com cimento Portland em composições de argamassas e concretos, em função da composição química do resíduo: elevada quantidade de alumínio, silício e magnésio, que podem apresentar interações com o ligante. No entanto, em função da elevada área superficial específica, em comparação ao cimento, sua utilização nas composições pode afetar a demanda de água de amassamento e limitar a sua aplicação. Para tanto, uma alternativa é a calcinação deste resíduo fino, assim como é realizado para outras argilas (caulim, por exemplo), para que a área superficial específica (ASE) seja menor e eventualmente ative propriedades pozolânicas na respectiva argila. Deste modo, neste trabalho foram avaliadas as diversas características de pastas cimentícias após adição de resíduo fino de vermiculita: reação química, formação dos produtos hidratados, propriedades reológicas, tanto após a mistura como ao longo da hidratação. Foi verificado que de forma geral a reação química não é afetada após a adição de vermiculita, embora a formação de aluminatos seja intensificada na composição com maior quantidade de resíduo in natura. Com relação ao seu comportamento no estado fresco, foi observado que a maior ASE do resíduo impacta fortemente as propriedades reológicas das pastas, embora que com um teor de 5% as mudanças sejam menores. Utilizando-se dessas mesmas composições para a avaliação do desempenho no estado endurecido de argamassas, foi verificado que não há efeito sobre essas propriedades até 5% de substituição, independentemente do tratamento térmico empregado. Assim, considerando aspectos econômicos de transporte assim como os custos decorrentes da calcinação, pode-se recomendar a adição de 5% de vermiculita in natura sem comprometer o desempenho dos produtos, embora não se possa precisar com os dados obtidos a sua durabilidade ao longo do uso. / In the process to obtaining vermiculite a fine residue is generated, which does not yet have a large-scale application. An alternative that has been studied is the association with Portland cement in mortar and concrete formulations, as a function of the chemical composition of the residue: high amount of aluminium, silicon and magnesium which may have interactions with the binder. However, the residue has a high specific surface area, in comparison to cement, a fact that can increase the water-demand to mix and limit its application. For this, an alternative is the calcination of this fine residue, as it is done for other clays (kaolin, for example), so that the specific surface area (SSA) is smaller and eventually activates pozzolanic properties in the respective clay. Thus, in this work the various characteristics of cement pastes after addition of vermiculite fine residue were evaluated: chemical reaction, formation of the hydrated products, rheological properties, both after mixing and along the hydration. It was verified that in general the chemical reaction is not affected after the addition of vermiculite, although the formation of aluminates is intensified in the composition with greater amount of in nature residue. Regarding its behaviour in the fresh state, it was observed that the higher SSA of the residue strongly impacts the rheological properties of the pastes, although with a 5% content the changes are minimal. Using these same compositions to evaluate the performance in the hardened state of mortars, it was verified that there is no effect on these properties up to 5% of substitution, regardless of the thermal treatment used. Thus, considering the economic aspects of transport as well as the costs of calcination, it is possible to recommend the addition of 5% of vermiculite in nature without compromising the performance of the products, although it is not possible to determine the its durability during the use.

O espaço de discussão dos impactos sociais e ambientais das atividades humanas tem ganhado mais relevância nos últimos anos, dentro e fora da Universidade. A engenharia, como área do conhecimento que influencia fortemente o mercado da construção civil, que representa cerca de 10% do PIB nacional, tem uma responsabilidade na criação e fomento de espaços para estudo dessa questão. O Projeto Crescimento, objeto de estudo da pesquisa aqui colocada, tem o propósito de auxiliar nessa discussão, por meio da montagem de uma fábrica protótipo de peças cimentícias em local de alta vulnerabilidade social, com a função de aumentar de qualidade de vida daqueles que participam das atividades na fábrica e das comunidades em seu entorno, por meio do ofício e renda gerados, combinados com um programa de educação que sustenta a mudança em um nível mais profundo. A melhora proposta pode ser medida através de parâmetros objetivos e relatos subjetivos. A iniciativa se baseia na pesquisa em tecnologia de materiais e na produção dos mesmos, combinada com estudos de parâmetros de mercado da construção civil e na economia solidária. A economia solidária, por sua vez, está embasada em novas formas de pensar as relações econômicas e organizá-las no espaço e no tempo, visando uma distribuição do trabalho e seus resultados igualitária e com significado para aqueles que participam da cadeia de dado produto. O produto escolhido para iniciar o projeto foram as peças cimentícias, pela sua facilidade de produção, que pode ser realizada em locais de características variadas, o alto consumo no segmento da construção e a existência prévia de uma tecnologia já desenvolvida dentro do laboratório de microestruturas da Universidade de São Paulo. Além dos objetivos práticos da abertura da fábrica protótipo, a pesquisa se propõe a descrever as diversas maneiras encontradas de tornar o projeto viável, auxiliando na construção de um caminho mais claro para outras iniciativas similares. Dentro do escopo do estudo proposto, também consta o avanço na tecnologia previamente existente, por meio da criação de peças protótipo, foram obtidos os resultados relevantes em termos de desempenho de materiais, comparando-os com normas e requisitos nacionais e internacionais. Assim, foi criado um protótipo funcional de fábrica, com a participação dos moradores de rua da região do Glicério, no centro da cidade de São Paulo. Lá foram testados métodos produtivos, a robustez da fórmula desenvolvida e a inserção social do projeto. A partir da comparação entre os resultados obtidos em campo e em laboratório e das informações extraídas da literatura, espera-se avançar no modelo da economia solidária para eventualmente expandi-lo e aperfeiçoá-lo. / The discussion about the social and environmental impacts of human activity are becoming more relevant each year, inside and outside the scope of University and Industry. Engineering, as a knowledge that greatly influences the construction segment, which represents about 10% of the Brazil\'s GDP, has a responsibility in creating and promoting spaces for the discussion and study of this theme. The objective of the research here-by proposed is to add new information to this discussion by structuring a prototype of an advanced cementitious component factory in high social vulnerability areas, with the purpose of raising the quality of life of those participating in the production and the communities surrounding them, through the craft and pay generated, combined with an educational program, that subsidizes the project at a more profound level. The improvement can be measured with objective parameters and subjective narratives. This initiative is based on the materials research, combined with the study of the construction segment and the solidarity economy. Solidarity economy can be translated by rethinking economic organization and relations in space and time, aimed at a more egalitarian and meaningful distribution of work and its outcomes. The product chosen to start this project are cementitious artifacts, because of the possibility of a modular production, that can be structured in a wide variety of environments, its high consumption in the construction segment and the existence of a well-developed cement material technology, in the microstructure laboratory of the University of São Paulo. Aside from the practical objectives described, this research aims to describe the different ways of making this kind of project viable, there by contributing toward building a clearer path toward similar initiatives. Within the work scope, advancements in the material technology were made, through the production of prototypes, so that relevant data about performance could be obtained and compared with national and international standards. That way, a functioning factory prototype was structured with the collaboration of an organized group of homeless people in the Glicério region in the city center of São Paulo. It was there that the community receptivity, production methods and the cementitious formula\'s robustness were tested. By comparing the results obtained in the field research, in the laboratory, and the academic knowledge on the theme, it is hoped that advancements can be achieved in the materials research and the solidarity economy model.

La durabilité des ouvrages en béton armé est étroitement liée à la composition des matériaux dont ils sont formés, et plus particulièrement aux propriétés de ces derniers. Cette durabilité est caractérisée par des indicateurs parmi lesquels se trouve le coefficient de diffusion des chlorures. Ceux-ci pénètrent le béton et interagissent avec les ions composant la solution interstitielle (contenue dans les pores) ainsi que les composants de la matrice cimentaire. Il existe peu de travaux dans la littérature qui décrivent toutes ces interactions ioniques de façon simultanée et encore moins leur prise en compte dans l’étude et la modélisation des transferts. Ce travail de thèse présente une étude des interactions multi-espèces se produisant lors du transfert des ions chlorure. Pour ce faire, l’évolution de la composition de la solution interstitielle, de plusieurs pâtes de ciment contenant diverses additions minérales, est étudiée. La solution interstitielle des pâtes de ciment est extraite suite à un essai de migration par pressage et analysée par chromatographie ionique. Par ailleurs, l’évolution de la microstructure de ces matériaux suite au transfert des chlorures est caractérisée par porosimétrie à intrusion de mercure (PIM) et microscopie électronique à balayage (MEB). Ceci a permis de mettre en évidence les modifications provoquées par la diffusion des ions chlorures. Dans un second temps, et afin de simuler le transfert des chlorures dans la matrice cimentaire, un modèle de transfert multi-espèces est développé. Dans ce sens, plusieurs modèles de transfert mono et multi-espèces, sous l’effet d’un champ électrique ou non, en régime stationnaire et transitoire ont été développés auparavant. L’objectif de cette partie numérique est d’étendre ces modèles à la prise en compte de l’ensemble des ions composant la solution interstitielle ainsi que leurs interactions multi-espèces conduisant à la précipitation de composés à base de chlore et à la dissolution des hydrates. La formulation mathématique des phénomènes étudiés est établie à partir de la loi de conservation de masse et les équations de la thermodynamique. Les conditions initiales et aux limites sont adaptées pour tenir compte à la fois de la composition chimique réelle de l’eau de mer et de celle de la solution interstitielle. Les résultats obtenus permettent de mettre en exergue l’effet de ces phénomènes sur la composition chimique de la solution interstitielle ainsi que sur le transfert des chlorures. / The durability of the reinforced concrete structures is closely related to the composition of their materials and, particularly to their properties. This durability is characterized by indicators among which we quote the diffusion coefficient of chlorides. These ionic species penetrate through the concrete and interact with the other species present in the interstitial solution (contained in concrete pores) as well as the cementitious matrix components. In the literature, there is a lake of data describing simultaneously these ionic interactions, especially their consideration in the study or modeling the ionic transport phenomena. This work focuses on the study of multispecies interactions that occur during the chloride transfer. To this purpose, the evolution of pore solutions chemistry of hardened cement pastes manufactured with different mineral additions is investigated. This solution is extracted, before and after migration test, using a specific press and analyzed by ionic chromatography. Furthermore, the microstructure evolution of these cement pastes is characterized by mercury intrusion porosimetry (MIP) and scanning electron microscopy (SEM). This allows highlighting the modification caused by chloride penetration. Secondly, for the modeling of chloride transport in cement based materials, a multispecies transport model is developed. In this context, several mono and multispecies transport models, under an electrical field or not, in transitory or steady state were developed previously. The aim of this numerical study is to extend these models in order to consider the ions present in the interstitial solution and their multispecies interactions leading to the precipitation of new chloride compound and the dissolution of some hydrates. The mathematical formulation of the phenomena studied was established from the principle of mass conservation and the thermodynamic equations. Initial and boundary conditions were adopted to take into account both the chemical composition of sea water and that of pore solution. Results highlight the effect of these phenomena on the pore solution chemistry and the chloride transport.

O cimento está entre os materiais mais utilizados no mundo moderno e sua produção deverá crescer nos próximos 40 anos. Esta crescente produção será responsável pela emissão de um grande volume de CO2 na atmosfera, atualmente a indústria cimenteira é responsável mundialmente por 10% das emissões totais de CO2 e pode chegar a 30% em 2050. Portanto, a academia e a indústria estão desenvolvendo estratégias para reduzir este impacto ambiental, uma dessas estratégias é a substituição do clínquer por materiais cimentícios suplementares (MCSs). Para esta estratégia ser efetiva é necessário que estes materiais possuam: (i) viabilidade econômica; (ii) disponibilidade e; (iii) viabilidade técnica. Hoje os materiais suplementares mais utilizados são a escória de alto forno e a cinza volante, mas o aumento na produção do cimento não foi acompanhado pela oferta destes materiais. Assim, outros materiais suplementares estão sendo utilizados pela indústria, como é o caso das pozolanas naturais e artificiais. Portanto o objetivo deste trabalho é estimar a disponibilidade e distribuição geográfica de alguns materiais cimentícios suplementares no Brasil e avaliar a eficiência de seis cimentos pozolânicos comerciais e compará-los com um cimento com alto teor de clínquer quanto a reatividade, demanda de água e indicadores ambientais. Todos os materiais foram fisicamente e quimicamente caracterizados; pastas e argamassas foram analisadas em termos de reatividade, demanda de água e resistência mecânica; finalmente, foram estimados indicadores ambientais e de eficiência. Para pastas e argamassas sem dispersante o cimento com alto teor de clínquer e aqueles com adição de terra diatomácea demandaram mais água que os demais para um mesmo espalhamento, já com adição de superplastificante o cimento REF foi o que demandou mais água. O cimento com alto teor de clínquer foi o mais reativo em todas as idades e apresentou os melhores resultados do indicador de fração de água combinada e indicador de intensidade de ligante. Já para o indicador intensidade de carbono os melhores resultados foram obtidos para os cimentos com alto teor de substituição. No entanto, o estudo mostra que a redução do teor de clínquer não está diretamente relacionada à redução do impacto ambiental do cimento em seu uso, esta redução de impacto também está associada com a eficiência do ligante quanto a sua reatividade e demanda de água. / The cement is one of the most used materials in the modern world and its production should grow in the next 40 years. This growing production will be responsible for issuing a large volume of CO2 on the atmosphere, nowadays the cement industry is responsible worldwide for 10% of the total emissions of CO2 and it can reach 30% in 2050. Therefore, academia and industry are developing strategies to reduce this environmental impact, one of these strategies is the substitution of clinker by supplementary cementitious materials (SCMs). For this strategy to be effective it is necessary that these materials possess: (i) economic viability; (ii) availability and; (iii) technical feasibility. Today the most used supplementary materials are the blast furnace slag and fly ash, but the increase in the production of cement was not accompanied by the supply of these materials. Therefore, other supplementary materials are being used by the industry, as is the case of natural and artificial pozzolans. So, the aim of this work is to estimate the availability and geographic distribution of some supplementary cementitious materials in Brazil and evaluate the efficiency of six Portland pozzolan blended cements and compare them with a cement with high clinker content as to reactivity, water demand and environmental indicators. All materials were physically and chemically characterized; pastes and mortars were analyzed in terms of reactivity, water demand and mechanical strength; finally, environmental and efficiency indicators were estimated. For pastes and mortars without dispersant the cement with high content of clinker and those with the addition of diatomaceous earth ordered more water than the others to achieve the same spread, already with the addition of superplasticizer the cement REF was the one that ordered more water than the others. The cement with high clinker content was the most reactive in all ages and presented the best results of the binder efficiency indicator and binder intensity indicator. For the carbon intensity indicator, the best results were obtained for cements with high replacement content. However, the study shows that the reduction of the clinker content is not directly related to the reduction of the environmental impact of the cement in its use, this reduction is also associated with the binder efficiency in means of reactivity and water demand.