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.

L’ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. L’évaluation de l’architecture de l’os trabéculaire vertébral est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Par ailleurs, le traitement de la fracture vertébrale ostéoporotique par vertébroplastie a démontré son efficacité. Le ciment actuel utilisé pour la vertébroplastie est le polyméthylméthacrylate. Ce ciment est efficace pour stabiliser la vertèbre et diminuer la douleur mais il existe une toxicité pour les tissus mous avoisinant, notamment la moelle en cas de fuite, et des inquiétudes quant au risque de fracture des vertèbres adjacentes. De nouveaux ciments biointégrables du type ciments phosphocalciques supplémentés en bisphosphonates pourraient avoir leur place à l’avenir dans le traitement des vertèbres.Notre travail de thèse s’est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure de l’os trabéculaire vertébral, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique, et sur le développement d’un nouveau ciment phosphocalcique supplémenté en bisphosphonates.L’ensemble de nos résultats pourra nous permettre :-D’améliorer la prédiction du risque de fracture vertébrale ostéoporotique-D’optimiser les nouveaux ciments biointégrables / The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with a microarchitecture deterioration. Vertebral trabecular bone microarchitecture assessment is an important research topic aiming at the characterization of the modifications of the bone tissue bound to ageing. On the other hand, the vertebral fracture treatment by vertebroplasty is known to be effective. Currently the cement used in vertebroplasty is the polymethylmetacrylate (PMMA). This cement stabilizes the vertebral fracture and decreases the pain, but there are a toxicity for nearby soft tissues, in particular spinal marrow in case of leakage, and concerns as for the risk of fracture of the neighboring vertebrae. In the future, new biointegrable calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate could be used in the vertrebrae treatment.Our work was based on a multidisciplinary project which aimed firstly at evaluating trabecular vertebral bone microarchitecture using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region, secondly at developing a new calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate. Our results may lead to:- improve the fracture risk prediction in osteoporotic vertebra- improve the new biointegrable cements

L’utilisation de ciment à haute teneur en laitier est envisagée dans le cadre du conditionnement des déchets nucléaires. Dans ce contexte, il est nécessaire de connaître les propriétés structurales et de transport des gaz formés par la radiolyse de l’eau contenue dans cette matrice. Selon la littérature, ces propriétés sont impactées par l’ajout de laitier de haut-fourneau. L’objectif de cette thèse est de relier les processus d’hydratation des ciments au laitier aux propriétés de transport des gaz. La première partie de cette étude est consacrée à l’étude de l’hydratation des ciments au laitier. La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du silicium et de l’aluminium a été utilisée pour suivre l’évolution de la quantité des différentes phases anhydres du clinker (C3S, C2S, C3A et C4AF) et des principaux oxydes de la phase vitreuse du laitier (SiO2, Al2O3, MgO et SO3). La quantité de calcium dissoute provenant du laitier a, quant à elle, été déduite en comparant la quantité de portlandite [Ca(OH)2] mesurée par ATG avec celle calculée par un logiciel de spéciation chimique (Phreeqc). Cette approche a permis de déterminer l’évolution du degré d’hydratation des principaux oxydes de la phase vitreuse du laitier dont une dissolution progressive (comparé au clinker) et incongruente (la vitesse de dissolution des différents oxydes et différente) a ainsi pu être mise en évidence. Cette plus faible réactivité du laitier a pu être mise en relation, pour un temps donné, avec la diminution de la quantité d’eau liée au ciment, de la contraction chimique et de la chaleur dégagée. La prise en compte quantitative de la dissolution des phases du clinker et des oxydes du laitier permet une description plus précise de la minéralogie. La deuxième partie de ce travail porte sur l’évolution de la microstructure et de son influence sur les propriétés de transport en phase gazeuse (diffusion et perméabilité). L’évolution du coefficient de diffusion effectif à l’hélium et à l’azote et de la perméabilité intrinsèque a été suivie au cours du temps et comparée à l’évolution de certaines grandeurs, telles que la porosité globale, le diamètre d’entrée critique, la surface spécifique et le degré de connectivité des pores. Les résultats montrent une diminution du coefficient de diffusion effectif et de la perméabilité au cours du temps, ce qui a pu être relié, pour un même matériau, à la diminution de la porosité totale. Une réduction de ces propriétés avec la teneur croissante de laitier a également été observée. Cette baisse est liée à une diminution de la porosité capillaire et à une augmentation de la nanoporosité, due à une modification de la microstructure des C-S-H. La dernière partie de ce projet concerne la relation entre les processus d’hydratation, la microstructure et les propriétés de transport. Dans ce but, des bilans volumiques des réactions d’hydratation ont été réalisés en considérant de façon indifférenciée ou séparée chaque phase du ciment. La prise en compte séparée des différentes phases du ciment permet d’évaluer avec une précision de 10 % la porosité totale, la teneur en eau liée et le volume de contraction chimique. Cette description permet d’expliquer les variations des propriétés de transport d’un même matériau dans la durée. Pour établir ce lien au cours du temps et pour tous les ciments, le volume apparent des C-S-H a été recalculé pour rendre compte de la microstructure de ces hydrates. / Cements with high slag content are currently studied as possible candidate for nuclear waste containment materials. In this context it is important to know their microstructure and the transport properties (permeability and diffusion) of the gases that are formed by the radiolysis of the water present in this material. According to literature, these properties are strongly impacted by the addition of blast furnace slag. The aim of this work is to correlate the hydration processes of slag blended cements with their transport properties. In the first part of this work, the hydration of the slag blended cements, for which only few results have been reported to date, has been studied. Silicon-29 and aluminium-27 Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR) were used to follow the variations of anhydrous phases of clinker (C3S, C2S, C3A and C4AF) and of the main oxides of the slag (SiO2, Al2O3, CaO, MgO and SO3). The quantity of calcium dissolved from slag was deduced by fitting the quantity of portlandite [Ca(OH)2] calculated by a geochemical software (PHREEQC - coupled to a thermodynamic database) with TGA measurements. Our approach enabled the evolution of the hydration degree (percentage of reacted material) of various oxides of slag to be determined. A progressive and an incongruent dissolution (the rate of dissolution of the oxides is different) of the slag is observed. The low reactivity of slag could be linked, at a hydration time, to a lower content of bound water, chemical shrinkage and heat of hydration. Quantitatively accounting for the dissolution of clinker and oxide of slag yields a more accurate description of the hydration process. The second part of this work is focused on the microstructure evolution and its influence on the transport properties (diffusion and permeability). Time-evolution of the diffusion coefficients and the intrinsic permeability could be monitored and were then compared to that of the microstructure (global porosity, pore entry size distribution, specific surface area and the degree of connectivity). The results showed a decrease in the diffusion coefficient and permeability over time which is due to the progressive filling of the porosity. A decrease of these parameters with the slag content increasing was also observed. This is a consequence of the diminution of the capillary porosity and augmentation of the nanoporosity resulting from changes in the microstructure of C-S-H. The last part concerns the relation between the hydration processes, the microstructure and the transport properties. To this aim, volumetric balances of reactions involved in the hydration processes were made by considering globally or specifically the hydration of the different phases. Accounting for the hydration of each phase of the cement allowed us to determine the global porosity, the bound water content and the chemical shrinkage with accuracy of the order of 10 %. This description allows the understanding of the transport properties variations in time for a same material To establish this time evolutions for all the cements, the apparent volume of C-S-H was recalculated to account for the microstructure of these hydrates

Les liants ettringitiques dont la composition est formée principalement par du ciment d’aluminate de calcium et par du sulfate de calcium, sont très utilisés dans le cadre des mortiers techniques pour des applications telles que les mortiers de ragréage, les chapes autonivelante, les mortiers de réparation…. en raison de leurs propriétés de durcissement rapide et de résistance initiale élevée. Néanmoins, en fonction de la quantité des matières premières utilisées dans la composition et de leur nature, ces liants peuvent présenter à jeune âge ainsi qu’à long terme, des comportements différents. En particulier et dans le cadre de ce travail, l’influence de la nature et du dosage en sulfate de calcium sur l’hydratation des mortiers ettringitiques comme le début de prise, le changement de l’état liquide à l’état solide, les variations dimensionnelles, la résistance et le vieillissement à long terme (jusqu’à 330 jours) pour différentes conditions de conservations ont été déterminées. Ces caractéristiques ont été évaluées selon différentes techniques expérimentales de rhéologie, de mesure des variations volumiques, de calorimétrie isotherme, de spectroscopie infrarouge, de porosimétrie par intrusion de mercure, de diffraction des rayons X et thermogravimétrie. / The ettringite binder whose composition is mainly formed by the calcium aluminate cement and calcium sulfate, are widely used in mortars for technical applications such as patching mortars, the self -leveling screeds, repair mortars etc… thanks to their fast hardening ability and high early strength. However, depending on the amount and types of raw materials used in the composition, the properties of these types of binder have different behaviors at early age and at long-term. And in particular in this work, the influence of the nature and dosage of calcium sulfate on the consequences of ettringite mortars hydration as the beginning of setting time, the change from the liquid state to the solid state, dimensional change, the resistance, porosity, the progress of hydration and ageing until 330 days at different conservation conditions were determined. These characteristics were assessed by different experimental techniques such as rheology, chemical shrinkage, autogenous shrinkage, isothermal calorimetry, infrared spectroscopy, mercury intrusion porosimetry, X-ray diffraction, Thermogravimetric analysis.

Abstract : The structural build-up of fresh cement-based materials has a great impact on their structural performance after casting. Accordingly, the mixture design should be tailored to adapt the kinetics of build-up given the application on hand. The rate of structural build-up of cement-based suspensions at rest is a complex phenomenon affected by both physical and chemical structuration processes. The structuration kinetics are strongly dependent on the mixture’s composition, testing parameters, as well as the shear history. Accurate measurements of build-up rely on the efficiency of the applied pre-shear regime to achieve an initial well-dispersed state as well as the applied stress during the liquid-solid transition. Studying the physical and chemical mechanisms of build-up of cement suspensions at rest can enhance the fundamental understanding of this phenomenon. This can, therefore, allow a better control of the rheological and time-dependent properties of cement-based materials. The research focused on the use of dynamic rheology in investigating the kinetics of structural build-up of fresh cement pastes. The research program was conducted in three different phases. The first phase was devoted to evaluating the dispersing efficiency of various disruptive shear techniques. The investigated shearing profiles included rotational, oscillatory, and combination of both. The initial and final states of suspension’s structure, before and after disruption, were determined by applying a small-amplitude oscillatory shear (SAOS). The difference between the viscoelastic values before and after disruption was used to express the degree of dispersion. An efficient technique to disperse concentrated cement suspensions was developed. The second phase aimed to establish a rheometric approach to dissociate and monitor the individual physical and chemical mechanisms of build-up of cement paste. In this regard, the non-destructive dynamic rheometry was used to investigate the evolutions of both storage modulus and phase angle of inert calcium carbonate and cement suspensions. Two independent build-up indices were proposed. The structural build-up of various cement suspensions made with different cement contents, silica fume replacement percentages, and high-range water reducer dosages was evaluated using the proposed indices. These indices were then compared to the well-known thixotropic index (Athix.). Furthermore, the proposed indices were correlated to the decay in lateral pressure determined for various cement pastes cast in a pressure column. The proposed pre-shearing protocol and build-up indices (phases 1 and 2) were then used to investigate the effect of mixture’s parameters on the kinetics of structural build-up in phase 3. The investigated mixture’s parameters included cement content and fineness, alkali sulfate content, and temperature of cement suspension. Zeta potential, calorimetric, spectrometric measurements were performed to explore the corresponding microstructural changes in cement suspensions, such as inter-particle cohesion, rate of Brownian flocculation, and nucleation rate. A model linking the build-up indices and the microstructural characteristics was developed to predict the build-up behaviour of cement-based suspensions The obtained results showed that oscillatory shear may have a greater effect on dispersing concentrated cement suspension than the rotational shear. Furthermore, the increase in induced shear strain was found to enhance the breakdown of suspension’s structure until a critical point, after which thickening effects dominate. An effective dispersing method is then proposed. This consists of applying a rotational shear around the transitional value between the linear and non-linear variations of the apparent viscosity with shear rate, followed by an oscillatory shear at the crossover shear strain and high angular frequency of 100 rad/s. Investigating the evolutions of viscoelastic properties of inert calcite-based and cement suspensions and allowed establishing two independent build-up indices. The first one (the percolation time) can represent the rest time needed to form the elastic network. On the other hand, the second one (rigidification rate) can describe the increase in stress-bearing capacity of formed network due to cement hydration. In addition, results showed that combining the percolation time and the rigidification rate can provide deeper insight into the structuration process of cement suspensions. Furthermore, these indices were found to be well-correlated to the decay in the lateral pressure of cement suspensions. The variations of proposed build-up indices with mixture’s parameters showed that the percolation time is most likely controlled by the frequency of Brownian collisions, distance between dispersed particles, and intensity of cohesion between cement particles. On the other hand, a higher rigidification rate can be secured by increasing the number of contact points per unit volume of paste, nucleation rate of cement hydrates, and intensity of inter-particle cohesion. / Résumé : La structuration des matériaux cimentaires a un grand impact sur leur performance mécanique après le coulage. Par conséquent, la formulation des mélanges devrait être conçue afin d’adapter la cinétique de structuration conformément à l’application considérée. La structuration des suspensions à base des matériaux cimentaires est un phénomène complexe affecté par les deux processus physiques et chimiques. La cinétique de structuration est fortement liée à la formulation des mélanges, des paramètres d’essai et de l’historique du cisaillement. Une meilleure évaluation de ce phénomène est fonction du pré-cisaillement appliqué, afin d’obtenir un état complètement dispersé ainsi que la contrainte appliquée lors de la transition de l’état solide-liquide de la suspension. L'étude des mécanismes physiques et chimiques de la structuration des suspensions à base de ciment peut améliorer la compréhension fondamentale de ce phénomène. Ceci permettra un meilleur contrôle des propriétés rhéologiques en fonction du temps des matériaux cimentaires. Cette recherche porte sur l'utilisation de la rhéologie dynamique pour étudier la cinétique de structuration des pâtes de ciment à l’état frais. Le programme de recherche a été mené en trois phases différentes et complémentaires. La première phase a été consacrée à l'évaluation de l'efficacité de diverses techniques de cisaillement. Les profils de cisaillement étudiés inclus la rotation et l’oscillation et la combinaison des deux modes de cisaillement. Les états initiaux et finaux de la structure de suspension avant et après la dispersion ont été déterminées en appliquant un cisaillement oscillatoire de faible amplitude (SAOS). La différence entre les valeurs viscoélastiques avant et après la dispersion a été utilisé pour exprimer le degré de dispersion. Une technique efficace pour disperser les suspensions concentrées de ciment a été développée. La deuxième phase visait à établir une approche rhéologique afin de dissocier les mécanismes physiques et chimiques individuels de la structuration de pâte de ciment. En effet, la rhéomètrie dynamique non destructif a été utilisé pour étudier à la fois l’évolution du module élastique et de l'angle de phase des suspensions inertes à base de carbonates de calcium et des suspensions de ciment. Deux indices de structurations indépendantes ont été proposés. La structuration de différentes suspensions à base de ciment réalisées avec différentes teneurs en ciment, pourcentages de remplacement de fumée de silice, et dosages de superplastifiant a été évaluée en utilisant les indices proposés. Ces indices ont ensuite été comparés à l'indice de thixotropie bien connu (Athix.). En outre, les indices proposés ont été corrélés à la pression latérale déterminée pour différentes pâtes de ciment coulées dans une colonne sous pression de hauteur 1 m. Le protocole de pré-cisaillement et les indices de structuration proposés (Phases 1 et 2) ont ensuite été utilisés pour étudier l'effet des paramètres de formulation sur la cinétique de structuration dans la Phase 3. Les paramètres étudiés inclus ; la teneur et la finesse du ciment, la teneur en sulfate alcalin, et la température de la suspension de ciment. Le potentiel zêta, les mesures calorimétriques et spectrométriques ont été également réalisées afin d’étudier les changements microstructuraux correspondants dans les suspensions de ciment, tels que la cohésion entre les particules, le taux de floculation Brownien, et le taux de nucléation. Un modèle reliant les indices de structuration et les caractéristiques microstructurales a été développé afin de prédire le comportement de structuration des suspensions des matériaux cimentaires. Les résultats obtenus montrent que le cisaillement oscillatoire est plus efficace sur la dispersion de suspension de ciment concentré que le cisaillement rotationnel. Outre l'augmentation de la contrainte, le cisaillement induit permet d’améliorer la dispersion de la structure de suspension jusqu'à un point critique. Au-delà de cette valeur critique les effets épaississants dominent. Une méthode efficace de dispersion est ensuite proposée. Cette méthode consiste à appliquer un cisaillement rotationnel autour de la valeur de transition entre les variations linéaires et non linéaires de la viscosité apparente avec le taux de cisaillement, suivie d'un cisaillement oscillatoire à la contrainte de cisaillement croisée et la fréquence angulaire élevée de 100 rad/s. Analyser l’évolution des propriétés viscoélastiques des suspensions inertes de carbonates de calcium et de ciment ont permis de développer deux indices pour quantifier la structuration des suspensions de ciment. Le premier indice (le temps de percolation) représente le temps de repos nécessaire pour former le réseau élastique. Le deuxième indice (taux de rigidification) décrit la rigidification de la structure, i.e. sa capacité à supporter des contraintes. D’autre part, les résultats montrent que la combinaison du temps de percolation et du taux de rigidification permet de mieux comprendre le processus de structuration des suspensions de ciment. De ce fait, ces indices se sont avérés être bien corrélés avec la pression latérale de coffrage des suspensions à base de ciment. Les variations des indices de structuration proposés avec les paramètres de mélange ont montré que le temps de percolation est très probablement contrôlé par la fréquence des collisions Browniennes, la distance entre les particules dispersées, et l'intensité de la cohésion entre les particules de ciment. D'autre part, un taux plus élevé de rigidification peut être assuré en augmentant le nombre de points de contact par unité de volume de la pâte, le taux de nucléation d’hydrates de ciment et l'intensité de la cohésion inter-particulaire.

Les aspects biologiques ne sont généralement pas considérés lors de la conception des ouvrages de génie civil, malgré que la biocolonisation puisse affecter leur durabilité. Cette thèse s’intéresse à l’encrassement biologique des matériaux cimentaires en eau de rivière. Un essai de biocolonisation phototrophe accélérée, simulant les conditions en rivière a été mis au point et validé. Il a permis l’étude de pâtes cimentaires de différentes formulations. La colonisation a été évaluée par le taux de recouvrement de la surface, estimé par une méthode proposée d’analyse d’images. Une étude de l’influence de la rugosité sur la bioréceptivité du matériau a été réalisée à travers plusieurs paramètres de différentes natures et la densité de pics (paramètre d’espacement) a montré l’influence la plus déterminante. Un modèle a été proposé pour expliquer cette influence et a donné des résultats satisfaisants. Les influences de la porosité et du pH semblent être limitées dans les conditions de l’essai. Enfin, la micro-indentation a été adaptée pour l’évaluation mécanique de la détérioration des pâtes cimentaires sur de faibles épaisseurs. Cette technique pourra être utilisée pour évaluer la biodétérioration. / The biological aspects are generally not considered in the design of civil engineering works, although the biocolonisation may affect their durability. This thesis focuses on biofouling of cementitious materials in river water. A laboratory accelerated test of phototrophic biocolonisation, simulating the river conditions, was developed and validated. It allowed the study of cement pastes of different formulations. Colonization was assessed by the recovery rate of the surface, estimated by a proposed method of image analysis. A study of the roughness influence on the bioreceptivity of the material was conducted through several roughness parameters of different natures, and the peaks density (a spacing parameter) showed the most decisive influence. A model was proposed to explain this influence and gave satisfactory results. The influences of porosity and pH appeared to be limited in the test conditions. Finally, micro-indentation was adapted to the mechanical evaluation of the deterioration of thin layers of cement pastes. This technique may be used to evaluate the biodeterioration.

L’objectif de ce travail est de proposer un modèle thermodynamique à 25°C qui permette de décrire les principaux produits d’hydratation d’un ciment Portland ordinaire avec et sans matériaux cimentaires secondaires : les hydrosilicates de calcium. La composition riche en aluminium de ces produits de substitution modifie la nature et la composition des hydrates de la pâte de ciment.Nous avons donc étudié le système simplifié CaO-SiO2-H2O, pour lequel nous avons réalisé différentes synthèses de C-S-H dans des conditions de synthèse et d’analyse identiques. Nous avons distingué le cas où la solution d’hydratation est sous-saturée de celui où elle est sursaturée par rapport à la Portlandite.Nous avons ensuite étendu le système simplifié précédent au système CaO-Al2O3-SiO2-H2O, pour lequel nous avons réalisé différentes synthèses de C-A-S-H et déterminé le protocole le plus adéquat pour obtenir des hydrates purs.La nature nanoparticulaire et la surface spécifique importante des C-S-H nous ont conduit à développer un modèle thermodynamique qui tiennent compte de réactions de surface. Ainsi, le modèle thermodynamique proposé dans ce travail, inspiré de différents travaux antérieurs du laboratoire, permet de décrire la composition de la solution, la stoechiométrie, et les propriétés de surface des C-S-H à l’équilibre. Ce premier modèle a été étendu aux C-A-S-H, en implémentant dans le modèle précédent des réactions de surface qui permettent de décrire l’incorporation de l’aluminium dans les différents sites possibles.Ce modèle a été appliqué à des cas simples tels que l’étude de la rétention d’alcalins par les C-S-H, et l’évaluation de l’impact de l’incorporation d’aluminium dans les C-S-H sur la répartition minéralogique des hydrates à l’équilibre pour un mélange cimentaire avec une forte teneur en aluminium / The aim of this work is to build a thermodynamic model at 25°C to describe the main hydrates of ordinary Portland cement with or without supplementary cementitious materials (SCM) : calcium hydrosilicates. With high aluminium content, SCM in blended cements modify the nature and the composition of the hydrates of cement paste.The simplified model system CaO-SiO2-H2O was studied by synthesising of C-S-H with identical protocol and analysis. We distinguished, hydration solutions undersaturated and supersaturated from Portlandite.This last system has been extended to CaO-Al2O3-SiO2-H2O system. Then, we determined the most suitable protocol to synthesize pure C-A-S-H.The nanoparticular nature and high specific surface of C-S-H lead us to build a surface dependant thermodynamic model. The modelling described in this work, which is inspired from previous works of our laboratory, enables to describe chemistry of solution, solid composition but also surface properties of C-S-H at equilibrium. This first model has been extended to C-A-S-H. Incorporation of aluminium in C-S-H has been taken into account through surface reactions on different titrable sites.Our models were applied to some simple cases such as the study of alkali retention by C-S-H, the evaluation of the impact of aluminium incorporation in C-S-H on hydrates nature and distribution for highly substituted blended cements, i.e. with high aluminium content

Cette étude a pour objectif d’étudier expérimentalement les interactions entre différents anions (chlorure, bromure, nitrate et sulfate) et le silicate de calcium hydraté (C-S-H) afin de construire un modèle thermodynamique capable de prédire cette interaction. Des suspensions de C-S-H synthétisées ont été mises en contact avec différents types de sel (sel de calcium ou d’alcalins). L’influence de la température et de l’incorporation d’aluminium au sein de la structure du C-S-H ont également été prises en compte.L’utilisation d’une méthode d’analyse classique de ce type de système (c’est-à-dire séparation des phases liquide et solide puis analyse de la solution) a révélé ses limites avec, entre autres, une mauvaise reproductibilité des résultats. L’étape de séparation des phases s’est trouvée être à l’origine des difficultés rencontrées.Une seconde méthode d’analyse ne nécessitant pas de filtration des suspensions de C-S-H a été mise au point pour cette étude.Les résultats obtenus ont alors démontrés la non-adsorption des chlorures, nitrates ou bromures par les particules de C-S-H : ces anions n’ont qu’un rôle de compensation de charge au sein de la couche diffuse entourant les particules en suspensions.Les ions calcium (dans le cas d’ajout de sel de calcium) ne s’adsorbent que très faiblement à la surface du C-S-H. Ceci n’est pas influencé par la présence d’aluminium dans la structure. Une température plus faible (5°C) ou plus élevée (40°C) conduit à une adsorption plus faible, voire nulle.L’utilisation d’un modèle thermodynamique de simulation de C-S-H (développé dans une autre étude) a permis de reproduire les résultats expérimentaux obtenus, confirmant donc la validité de ces derniers mais également celle du modèle utilisé. / This project aims to study the interactions between calcium silicate hydrate (C-S-H) and different anions (chlorides, bromides, nitrates and sulfates) in order to build a thermodynamic model and then be predictable. The simplified system CaO-SiO2-H2O is studied by synthesizing C-S-H suspensions and mixing them with different kind of salts (calcium salt or alkali salt). The influence of the temperature and the presence of aluminum in the structure of the C-S-H is also examined.A classical way to investigate this kind of system is to separate the liquid phase from the solid phase in order to analyze them separately. Nevertheless, this step has a large influence on the system, and the experimental results suffer from a really bad reproducibility.Another analysis method has then been developed in order to avoid the separation of the different phases. The results show that there is no adsorption of chlorides, bromides or nitrate on the surface of the C-S-H. They only have a role as a charge compensator in the diffuse layer around the particles in suspension.The calcium cation (in the case of calcium salt addition) can be adsorbed by C-S-H, but in a small quantity. The substitution of silicon by aluminum in C-S-H doesn’t have any influence on this phenomenon. A higher or lower temperature results in a weaker adsorption, even inexistent.Those experimental results have been reproduced by using a thermodynamic model developed in a previous study. Thus, the validity of the experimental part but also the one of the model are confirmed.

Les propriétés des mousses liquides sont majoritairement gouvernées par les caractéristiques de leurs interfaces liquide/gaz. Nous illustrons ces effets à l'échelle locale par différents exemples : – Les réarrangements topologiques, pendant lesquels les bulles changent de voisines, sont les événements élémentaires à l'origine de propriétés rhéologiques et de stabilité des mousses. En réalisant des expériences sur une assemblée de films dans un cadre cubique, nous avons étudié les mécanismes de formation du nouveau film pour différentes solutions de tensioactifs modifiant les propriétés interfaciales. – L'observation de l'éclatement d'un film de savon unique montre que cette dynamique est ralentie à cause de l'élasticité des interfaces, jusqu'à l'apparition de rides ou de fractures pour une compression critique. – Par des mesures force/déplacement, nous avons montré qu'un radeau de particules se comporte comme un granulaire 2D, qui peut se déformer en-dehors du plan de l'interface, et dans lequel la contrainte peut dépendre de la friction à la paroi. De plus, l'ajout de ponts capillaires entre les particules procure au radeau une meilleure résistance à la traction et à la compression. – En injectant de l'air dans une pâte, nous avons créé des bulles stables dans des conditions permettant l'adsorption des tensioactifs à la surface des particules pour les rendre partiellement mouillantes. En utilisant ce mécanisme dans un système cimentaire, des bulles solides sont alors fabriquées / Properties of liquid foams are mainly governed by the features of liquid/gas interfaces. We illustrate this phenomenon at the local scale through different examples : – Topological rearrangements, i.e. switching of neighboring bubbles, are the elementary process of liquid foams stability and dynamics. Experiments are performed in a cubic assembly of films, in order to investigate the mechanism of creation of the new film for different surfactants solutions and therefore different interfacial properties. – Observation of soap film bursting shows that the dynamics is slowed down because of interfacial elasticity, until wrinkles or cracks appear for a critical compression. – Through strength/displacement measurements, we show that a particle raft behaves as a 2D granular material, which can buckle, and whose stress can depend on wall friction. Moreover, the addition of liquid bridges between particles provides higher compressive and tensile strengths to the raft. – Blowing air into a paste allows creating stable bubbles, when surfactants adsorb at particles surface, modifying their wetting properties. We demonstrate that this method can lead to solid bubbles with a cementitious system