Les ciments acryliques osseux sont une solution courante pour traiter des lacunes osseuses. L'incorporation de charges permet d'en améliorer les propriétés, ainsi l'amidon pour la dégradabilité, associé à l’acétate de cellulose pour les propriétés mécaniques, et les phosphocalciques pour ces dernières et la bioactivité. Très souvent, le polymère est le polyméthacrylate de méthyle et l'amidon, celui issu du maïs. La majorité des études les concernent. Celle-ci porte donc sur des formulations classiques mais à base de 2-hydroxyéthylméthacrylate, incorporant un amidon de waxy-maïs, maïs, amylomaïs, blé, pois ou pomme de terre, avec ou sans enzyme (α-amylase). L’HEMA apporte sa capacité à s’hydrater et les amidons à se dégrader. Temps et température maximale de prise ont été étudiés en fonction de la formulation, de même, le taux d'hydratation du ciment et sa perte de masse en fonction du temps d'immersion dans un fluide biologique. Les propriétés mécaniques ont été approchées à travers des essais de traction et de compression. La radio-opacité a été prise en compte. Paramètres de prise et taux d'hydratation (d'où un gonflement in situ favorable au comblement d'une lacune) se sont révélés peu influencés par l’origine botanique de l'amidon ou la présence de l'enzyme, contrairement à la dégradabilité. Le gonflement, néfaste si trop important, a été contrôlé grâce à une pré-saturation en eau, la perte des propriétés mécaniques après immersion en découlant l'étant par ajout de plâtre. Le dioxyde de zirconium s’est révélé le radio-opacifiant le plus approprié. L’ensemble des résultats a conduit à formuler deux ciments optimisés en fonction de la dégradabilité recherchée. / Acrylic cements are a current solution to deal with osseous gaps. The incorporation of fillers allows improving the properties, so starch for the degradability, associated with cellulose acetate for the mechanical properties, and calcium phosphates for the latter and the bioactivity. Very often, the polymer is polymethyl methacrylate and the starch is issued from corn. So the majority of the studies concern them. Thus this one concerns classic formulations but with 2-hydroxyethylmethacrylate, incorporating starch from waxy-maïs, corn, amylomais, wheat, pea or potato, with or without enzyme (α - amylase). HEMA brings its capacity to hydrate and starches to degrade. Setting time and maximal temperature were studied according to the formulation, also, the water uptake of the cement and its weight loss according to the immersion time in a biological fluid. The mechanical properties were approached through tensile and compression tests. The radio-opacity was taken into account. Curing parameters and water uptake (leading to in situ swelling favourable to the filling of a gap) were little influenced by the botanical origin of starch or by the presence of enzyme, contrary to the degradability. The swelling, negative if too important, was monitored through a pre-saturation by water and the resulting loss of the mechanical properties after immersion through addition of plaster. The zirconia was the most appropriate radio-opacifier. The results led to formulate two cements optimized according to the desired degradability.

Le but du travail réalisé dans cette thèse était d’approfondir les connaissances en matière d’utilisation du couple de frottement céramique-céramique dans l’implantologie moderne de hanche sans ciment. L’étude clinique de 100 prothèses totales de hanche sans ciment avec un recul de 9 ans a permis de montrer la fiabilité du couple de frottement céramique en terme d’usure, de biocompatibilité et d’ostéointégration. Par la suite, la comparaison de la méthode d’implantation de ces implants (impaction du métal-back avec ou sans adjonction de vis supplémentaires) a montré que la rigidité de la céramique n’était pas incompatible avec une impaction simple du métal-back, pour des patients qui ne présentent pas de fragilité osseuse. Nous avons ensuite étudié plus particulièrement une complication de la céramique, le grincement ou squeaking. Une étude in vitro du phénomène, a permis de reproduire ce phénomène dans des conditions de lubrification optimale, avec la présence d’un troisième corps métallique entre les surfaces de frottement, suggérant l’importance des problèmes de lubrification dans la genèse du phénomène. L’analyse d’explant a conforté notre hypothèse, mettant en évidence l’importance du dessin des implants afin d’éviter les conflits prothétiques pouvant générer des particules métalliques. Enfin, l’analyse sur le long terme du phénomène de squeaking a montré son faible impact sur la survie des implants et sur la qualité de vie des patients. Ce travail, qui a associé des analyses cliniques et biomécaniques nous conforte dans l’utilisation de la céramique comme couple de frottement dans les prothèses totales de hanche sans ciment, insiste sur l’importance du dessin et du positionnement des implants pour éviter les complications qui peuvent survenir et permet de mieux connaître le problème du squeaking et ses conséquences / The aim of the study done in this thesis was to enhance the knowledge in the use of ceramic on ceramic bearing for cementless total hip arthroplasty. A clinical study of 100 cementless total hip arthroplasty at 9 years of follow-up showed the reliability of ceramic in terms of wear, biocompatibility and osseointegration. Subsequently, the comparison of the method for implantation of the implants (press-fit with or without additional screws fixations) showed that the stiffness of ceramic was not inconsistent with a simple impaction, for patients who do not present bone fragility. We then studied a particular complication of ceramic bearing, the squeaking noise. An in vitro study of this phenomenon, allowed us to reproduce squeaking in lubricated conditions, with the presence of a third metal body between the frictions surfaces, suggesting the importance on lubrication damages in the genesis of this phenomenon. Analysis of explants has confirmed our hypothesis, highlighting the importance of implant design, to avoid impingement, potentially generating metal particles. Finally, the long-term analysis of squeaking phenomenon showed its low impact on implant survival and patient’s quality of life. This work, which involved clinical and biomechanical analysis, confirms the interest for the use of ceramics bearings in total hip arthroplasty, emphasizes the importance of implant design and implant positioning, to avoid complications, and helps for a better understanding with the problem of squeaking and its consequences

Afin d’éviter le relâchement d’iode 129 (déchet de moyenne activité à vie longue) dans l’environnement, un nouveau matériau incorporant l’iodate dans une hydroxyapatite phosphocalcique a été étudié. Deux méthodes de préparation de ce matériau ont été développées : élaboration par précipitation suivi d’un frittage SPS et élaboration par voie cimentaire. Une quantité pondérale d’iode (taux d’incorporation maximal de 10%mass.) est incorporé uniquement sous forme iodate dans la structure apatitique préparée à partir des deux méthodes d’élaboration. Un monolithe ayant un taux de densification de 88,6 % a été obtenu après mise en forme de poudres précipitées par frittage SPS. Ce matériau présente une résistance à la lixiviation satisfaisante, caractérisée par une vitesse d’altération initiale en eau pure à 50 °C de 10-2 g.m-2.j-1 (comparable à celle d’un verre R7T7 lixivié dans les mêmes conditions) et par une vitesse d’altération résiduelle à 50 °C de 10-5 g.m-2.j-1 dans l’eau souterraine d’un site potentiel de stockage. Dans l’ensemble, ce matériau est un candidat potentiel pour un conditionnement de l’iode radioactif. / In order to avoid the release of 129I (long-lived intermediate-level waste) in the environment, we describe a novel material incorporating iodate in a calcium phosphate based hydroxyapatite. This material is prepared by two synthetic processes: a wet precipitation route followed by a spark plasma sintering and a cementitious route. A high iodine content (with a maximum incorporation rate of 10 wt.%) is reached for both processes, by incorporation of the iodate in the apatitic structure. A monolith with relative density of 88.6% was obtained after shaping of the precipitated powders by spark plasma sintering. This material reveals satisfactory leaching properties, with an initial leaching rate in pure water at 50 °C of 10-2 g.m-2.j-1, and a residual leaching rate at 50 °C of 10-5 g.m-2.j-1 in underground water of potential geological repositories. All in all, this material is a potential candidate for the conditioning of radioactive iodine.

Dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, une solution d'acide borique de pH contrôlé par ajout de lithine est injectée dans le circuit primaire. Le bore joue le rôle de neutrophage et participe au contrôle des réactions de fission. La solution du circuit primaire est épurée par passage sur colonnes de résines échangeuses d'ions. Ces résines sont périodiquement renouvelées et constituent un déchet de faible activité. Outre des radionucléides, elles contiennent majoritairement des ions borate et lithium. Elles sont actuellement conditionnées dans une matrice organique avant stockage en site de surface. Une évolution du procédé est envisagée, avec remplacement de la matrice organique par une matrice minérale. Cette thèse évalue les potentialités des ciments sulfo-alumineux pour le conditionnement de résines boratées en présence de lithium. Ces liants présentent en effet l'avantage de former des hydrates capables d'insérer les ions borate dans leur structure, et leur hydratation est moins retardée que celle des ciments silico-calciques conventionnels. Une démarche analytique, procédant par complexification progressive des systèmes étudiés, est mise en œuvre. Ainsi, l'hydratation de ciments sulfo-alumineux à forte teneur en ye'elimite est-elle successivement étudiée en présence (i) de sels de lithium, (ii) d'hydroxyde de lithium et de borate de sodium, et (iii) d'hydroxyde de lithium et de résines boratées. L'approche expérimentale est complétée par des simulations thermodynamiques s'appuyant sur une base de données développée pour les besoins de l'étude. Il apparaît que les ions lithium accélèrent l'hydratation du ciment sulfo-alumineux en diminuant la durée de la période d'inertie thermique. Le mécanisme mis en jeu implique la précipitation d'un hydroxyde mixte d'aluminium et de lithium. Au contraire, le borate de sodium ralentit l'hydratation du ciment sulfo-alumineux en augmentant la durée de la période d'inertie thermique. Une espèce riche en bore et sodium, l'ulexite, précipite transitoirement dès le début de l'hydratation. En sa présence, la dissolution de la ye'elimite reste lente. Lors de l'ajout simultané d'hydroxyde de lithium et de borate de sodium dans la solution de gâchage, les mécanismes observés pour chacune des espèces considérées séparément se superposent. Un troisième processus vient s'ajouter dans le cas d'un ciment non gypsé : le lithium favorise la formation initiale d'une phase AFm boratée qui disparaît au profit d'une phase AFt boratée lorsque l'hydratation s'accélère. Les résultats obtenus permettent in fine de proposer une première formulation d'enrobage de résines boratées dont les propriétés sont compatibles avec les exigences requises pour une matrice de conditionnement sur la durée de l'étude. / In pressurized water reactors, a solution of boric acid, the pH of which is controlled by the addition of lithium hydroxide, is injected in the primary circuit. Boron acts as a neutron moderator and helps controlling the fission reactions. The primary coolant is purified by flowing through columns of ion exchange resins. These resins are periodically renewed and constitute a low-level radioactive waste. In addition to radionuclides, they mainly contain borate and lithium ions. They are currently encapsulated in an organic matrix before being stored in a near-surface repository. An evolution of the process is considered, involving the replacement of the organic matrix by a mineral one.In this PhD study, the potential of calcium sulfoaluminate cements (CSAC) to solidify / stabilize borated resins in the presence of lithium is investigated. These binders have the advantage to form hydrates which can incorporate borate ions in their structure, and their hydration is less retarded than that of Portland cement.An analytical approach is adopted, based on a progressive increase in the complexity of the investigated systems. Hydration of ye'elimite-rich CSAC is thus successively investigated in the presence of (i) lithium salts, (ii) lithium hydroxide and sodium borate, and (iii) lithium hydroxide and borated ion exchange resins. The experimental investigation is supplemented by thermodynamic modelling using a database specially developed for the needs of the study.Lithium ions are shown to accelerate CSAC hydration by decreasing the duration of the period of low thermal activity. The postulated mechanism involves the precipitation of lithium-containing aluminum hydroxide. On the contrary, sodium borate retards CSAC hydration by increasing the duration of the period of low thermal activity. Ulexite, a poorly crystallized mineral containing sodium and borates, transiently precipitates at early age. As long as ulexite is present, dissolution of ye'elimite is strongly slowed down. When sodium borate and lithium hydroxide are simultaneously introduced in the mixing solution, these two mechanisms are superimposed. With a gypsum-free cement, a third process is additionally observed: lithium promotes the initial precipitation of a borated AFm phase which is later converted into a borated AFt phase when hydration accelerates.Finally, based on the achieved results, a cement-based formulation is designed for the encapsulation of borated resins. Its properties fulfill the requirements for a conditioning matrix over the duration of the study.

En France, le gisement de déchets bois produits au sein des entreprises de première et seconde transformations est estimé à environ douze millions de tonnes par an. Soixante pourcent de ces déchets proviennent essentiellement des scieries sous forme de sciure, de copeaux de bois. Actuellement, il existe différentes filières de valorisation de ces déchets plus ou moins nocives à l'environnement. Un nouvel enjeu est donc de trouver des voies et moyens permettant une valorisation durable et conséquente de ces déchets. Dans ce contexte, la région Nord-Pas-de-Calais a initié un projet visant à la valorisation de ces déchets en élaborant de nouveaux matériaux de construction à base de sous-produits bois. Les objectifs de ce travail de thèse sont de développer des composites à base de pâte cimentaire et de sciure de bois issus de l'essence de Peuplier. Ces composites sont destinés à être utilisés comme éléments de maçonneries porteuses et sont assujettis à des critères de résistances mécaniques fixés par la norme française. La caractérisation de l'influence de la sciure sur les propriétés mécaniques, rhéologiques et physico-chimiques d'un mortier a été effectuée en substituant le sable par de la sciure à des taux variant de 10 à 100\%. Les résultats obtenus ont montré une perte de résistance mécanique avec l'augmentation du volume de bois dans le mélange due à des phénomènes chimiques et physiques. Néanmoins les résistances obtenues pour des taux de substitutions importants (50 à 60\%) restaient conformes à la norme. Ces résultats ont conduit à l'optimisation d'une formulation de mortier de bois extrudable à l'aide d'une extrudeuse à piston. Afin d'appliquer le développement de ces composites à l'échelle industrielle, la sciure de bois a été introduite dans une formulation de micro-béton servant à la production de blocs de béton industriels mis en forme par vibrocompactage. Les résultats obtenus ont montré que jusqu'à 50 \% de substitution du sable par la sciure, les résistances mécaniques étaient conformes. La caractérisation thermique des blocs a montré une capacité isolant intéressante. / In France, the waste wood deposit product in companies of first and second transformation is estimated at about twelve million tons per year. 60\% of this waste comes mainly from mills in the form of sawdust and wood chips. There are many methods of recovery of such waste, which in turn causes environmental problems through the use of products harmful to the environment. A new challenge is to find ways and means to sustainable and consistent recovery of such waste. A new challenge is to find ways and means to sustainable and consistent recovery of such waste. The recovery of such waste in construction materials could be a sustainable solution. In this context, the Nord-Pas-de-Calais Council initiated a project for the recovery of such wastes by developing new building materials from wood byproducts. This thesis has been intended to develop biocomposites based on cement paste and sawdust resulting from Poplar species. These biocomposites are designed for be used as part-bearing masonry and are subject to mechanical strength criteria set by the French standard. The study of the influence of sawdust on the mechanical, rheological and physico-chemical of a mortar was performed by replacing the sand by sawdust at rates ranging from 10 to 100 \%. The results obtained showed a loss of mechanical strength with increasing volume of wood in the mixture generated by chemical phenomena. However the compressive strength obtained for significant substitution rate (50 to 60\%) were in accordance with the French standard. These results led to the optimization of a wood mortar formulation met can be extruded using a ram extruder. In order to apply the development of these biocomposites in an industrial scale, the sawdust was introduced into a formulation of micro-concrete used in the production of industrial concrete blocks manufactured by vibro-compaction. The results showed that up to 50\% of substitution of sand by the sawdust, the mechanical properties were compliant. The thermal characterization of the blocks showed an interesting insulation capacity.

Ce travail porte sur la mise au point, le développement et l’étude de la dégradation et de la biocompatibilité d’un nouveau ciment phosphocalcique modifié par ajout de strontium. Un ciment composite formé par l’insertion de microsphère de PLAGA a aussi été développé. Ces ciments ont un intérêt thérapeutique en orthopédie et en chirurgie maxillo-faciale pour le comblement ou le renforcement osseux. Les caractéristiques mécaniques, rhéologiques et radiologiques du ciment et du composite ont été évaluées et optimisées pour rendre leurs formulations à la fois résistantes, injectables et radio-opaque. Un travail de développement à été mené pour répondre au mieux au cahier des charges clinique de ce type de substitut osseux. La chimie de la réaction au sein du ciment à été étudiée pour connaître les mécanismes réactionnels, l’évolution et le produit final de la réaction de prise. Des tests in vitro sur la dégradation par dissolution passive des constituants du ciment et du composite ont été réalisés ainsi que l’étude de la biocompatibilité sur des cultures cellulaires. Des expérimentations animales sur la peau de souris et sur le tibia de lapin ont permis de confirmer la biocompatibilité du ciment et du composite et de donner une première évaluation de sa résorption et de son remplacement par du tissu osseux néo formé. / The aim of this thesis is to design and develop a new calcium phosphate cement modified by addition of strontium and a composite cement formed by the insertion of PLAGA microspheres.These cements have a therapeutic interest in orthopaedic and maxillofacial surgery for bone filling or reinforcement.The mechanical, rheological and radiological properties of cement and composite were evaluated and optimized to improve their mechanical strength, injectability and radio-opacity. Development works were conducted to meet clinical specifications required for this type of bone substitute.The cement chemistry was studied to determine the reaction mechanisms, evolution and the final product of the setting reaction. In vitro tests on the degradation of cement components and composites were performed and the biocompatibility was studied by cell cultures.Animal experiments on mouse skin and rabbit tibia have confirmed the biocompatibility of these cements and provide a preliminary assessment of its resorption and replacement by newly formed bone tissue.

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.

La plupart des systèmes en matière molle sont en contact avec des solutions contenant des espèces chargées. Certains d’entre eux sont bien décrits par des théories de champ moyen, d’autres nécessitent des approches plus fines qui tiennent compte des corrélations entre ions.Dans la première partie de cette thèse, nous analysons la dynamique de relaxation d’un nanocondensateur. Les techniques analytiques et numériques utilisées relèvent du champ moyen (formalisme de Poisson-Nernst-Planck). Nous étudions les temps caractéristiques de relaxation dans les régimes linéaire et non linéaire et caractérisons le comportement du système en fonction de la concentration en sel et du potentiel appliqué. Les géométries planaire et coaxiale sont traitées. Nous nous intéressons ensuite au problème de concevoir un protocole temporel pour le potentiel appliqué, capable de piloter le système d’un état d’équilibre à un autre, que ce soit pour accélérer le processus de formation de la double couche électrique ou celui d’instauration d’un flux électroosmotique.Dans la deuxième partie, nous abordons la physique des systèmes chargés corrélés, avec une attention particulière pour le phénomène d’attraction entre charges du même signe. Nous élaborons une théorie qui décrit les systèmes sans sel à l’équilibre, quelle que soit la valeur du paramètre de couplage électrostatique. Inspirée en partie par le concept du trou de corrélation et en partie par un formalisme à la Poisson-Boltzmann, la théorie satisfait nombre de résultats exacts et elle peut être facilement résolue numériquement.Dans la troisième partie, nous développons la théorie du couplage fort pour les constituants nanoscopiques du ciment. Après avoir présenté l’histoire et l’état de l’art dans notre compréhension de la physique de cet omniprésent matériau, nous analysons des simulations de dynamique moléculaire de l’interface entre plaquettes de C-S-H. Nous montrons que la grande force de cohésion observée est due à une baisse de la permittivité diélectrique sous confinement, ce qui augmente l’importance des corrélations. Nous étudions la statistique du phénomène d’hydratation des ions, et finalement obtenons de façon analytique la pression en fonction de la distance entre plaquettes, en excellent accord avec les simulations. / Most systems in soft matter are immersed in solutions with charged species. Some of them can be described by mean-field techniques, while others require more sophisticated treatments that account for correlations between ions.In the first part of this thesis, we analyze the relaxation dynamics of a nanocapacitor. We use analytical and numerical techniques within mean-field (so-called Poisson-Nernst-Planck formalism). We study characteristic relaxation times in the linear and nonlinear regime and characterize the behavior of the system as a function of salt density and applied voltage. Both the parallel plate and the coaxial geometries are examined. The problem of designing a smart time-dependent applied potential, to drive the system from an initial to a final equilibrium state is also tackled, with regard to both the electric double layer build-up process and the establishment of an electroosmotic flow.In the second part, the physics of correlated charged systems is presented, with particular focus on the like-charge attraction phenomenon. We develop a theory describing salt-free systems, at arbitrary value of the electrostatic coupling parameter. Inspired partly by the correlation-hole concept and partly by the Poisson-Boltzmann formalism, the theory satisfies a number of exact requirements and can be easily solved numerically.In the third part, we develop the theory of strong coupling for the nanoscopic constituents of set cement. After introducing the history and the present understanding of the physics behind this omnipresent material, we analyze molecular dynamics simulations of the interface between C-S-H platelets (Calcium Silicate Hydrate). We show that the strong cohesion force observed is ultimately due to a decrease in the dielectric permittivity under confinement, which enhances correlations. We study the statistics of ion hydration and obtain analytically the pressure as a function of inter-platelet distance, in excellent agreement with simulations.

La compréhension des propriétés mécaniques de la microstructure des bétons verts est l'un des principaux intérêts de recherche dans l'industrie du ciment et du béton. Ce rapport traite de l'étude de pâtes de ciment ordinaire et d'une pâte de ciment avec ajout de laitier en couplant un à un les réponses chimiques et mécaniques mesurées à l'échelle nanoscopique. Les techniques expérimentales utilisées sont la technique de la nanoindentation ainsi que l'analyse chimique quantitative par microscopie électronique à balayage couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS). L'analyse mécanique comprend la mesure d'un coe_cient de relaxation basé sur un approfondissement de la théorie existante de la technique de la nanoindentation. Les résultats comportent une étude déterministe basée sur la chimie, une méthode permettant de déterminer la nature d'une surface indentée à partir des rapports des éléments atomiques mesurés à l'aide du MEB-EDS à cet endroit, et permettant de la lier directement la réponse mecanique mesurée à l'aide de la technique de la nanoindentation. Une étude statistique basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance est aussi réalis ée pour déterminer les réponses mécaniques et chimiques des di_érentes phases présentes. On trouve que la majorité des microvolumes d'interaction des expérimentations mécaniques et chimiques est composée de plusieurs phases. Il a également été possible de déterminer les réponses mécaniques du monosulfoalumite et de l'hydrotalcite combiné à du C_S_H, des produits d'hydratation importants de la pâte de ciment avec ajout de laitier. / One of the main interests of the cement and concrete industries is to better understand the mechanical properties of green concrete systems. This report provides a nano-investigation approach with a one-to-one coupling of the mechanical and chemical responses of ordinary cement pastes and a cement paste with an addition of blast furnace slag. This is achieved by using the technique of nanoindentation and a quantitative investigation of the chemistry by using the scanning electron microscopy coupled with the energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The mechanical analysis includes the measurement of a relaxation coe_cient, an extension of the already known theory of the nanoindentation technique. The results are implemented with a deterministic analysis of the chemistry, a method allowing the determination of the nature of an indented area from the atomic ratios measured by using the SEM-EDS on this spot, and which can be directly linked to the mechanical responses measured by the nanoindentation tests. A statistical analysis based on the maximum likelihood estimation is also performed in order to identify the mechanical responses of the di_erent chemical phases present. It is found that the most of the microvolumes probed by the mechanical and chemical investigation are heterogeneous composites with intermixing. We could also determine the mechanical properties of monosulfoalumite and hydrotalcite combined with C_S_H, important hydration products of cements with slag additions.

Les travaux de recherche effectués au cours de cette thèse ont mené au développement d'un modèle numérique permettant de décrire le déplacement simultané de plusieurs ions dans le réseau poreux de matériaux cimentaires. L'algorithme sépare le transport des ions des réactions chimiques selon une approche SNIA (Sequential Non Iterative Approach). Dans la partie consacrée au transport, le déplacement des ions dans un milieu non saturé est basé sur la résolution de l'équation de Nernst-Planck étendue tenant compte de la diffusion, du couplage électrique entre les ions et de l'activité chimique. Un terme d'advection est ajouté à cette équation afin de considérer le transport des ions sous l'effet du mouvement du fluide dans le réseau poreux en présence de gradients de teneur en eau. Ces équations de transport sont discrétisés dans l'espace par la méthode des éléments finis. Elles sont résolues pou: sept espèces ioniques de manière couplée en utilisant la méthode de Newton-Raphson. Un module d'équilibre chimique corrige ensuite les profils de concentration obtenus à l'étape de transport. Dans ce module chimique, les phases solides considérées sont la portlandite, les C-S-H, les monosulfoaluminates, l'ettringite, le gypse et les chloroaluminates. Certaines de ces phases solides sont soient dissoutes, soient précipitées afin de retrouver l'équilibre entre la pâte de ciment hydraté et la solution dans les pores du matériau. L'effet de la dissolution ou de la précipitation de ces phases solides sur les propriétés de transport du matériau est également considéré, en fonction des variations de porosité. Le modèle donne comme résultats les profils de concentrations en solution et la teneur en tout point du matériau de chacune des phases solides. Les applications présentées à la fin du mémoire montrent l'utilisation du modèle pour des cas d'attaque aux sulfates. Une méthode permettant de déterminer le coefficient de diffusion des ions dans les matériaux cimentaires suite à une analyse des résultats de l'essai de migration a également été développée dans le cadre de ces travaux de recherche.