La volonté de préservation de l'environnement est de plus en plus présente dans nos sociétés. C'est la mise en place de la recherche de ce que l'on appelle le développement durable qui traduit cette volonté à tous les niveaux. Afin de s'inscrire dans cette démarche de développement durable, les autorités soumettent les industries à une pression sans cesse croissante afin de réduire les diverses pollutions qu'elles peuvent engendrer. Dans le cas de l'industrie cimentière, ce sont les émissions de CO2 et la consommation des matières premières qui sont essentiellement visées afin de réduire son impact sur l'environnement. Le développement des ciments avec ajouts minéraux, le plus souvent issus de procédés industriels, constitue une voie de réduction de la quantité de clinker contenue dans le ciment portland et donc de diminution des émissions. De tels ciments existent déjà et utilisent entre autre des laitiers de haut fourneau, fumées de silice ou cendres volantes. D'autre part, les ciments avec ajouts sont intéressants car ils possèdent aussi des propriétés spécifiques différentes du ciment Portland de type CEM I. C'est sur le dernier point des propriétés spécifiques des ciments avec ajouts associé à la pression croissante du développement durable que se fonde cette thèse. Notre travail vise à mettre au point une méthodologie de développement des ciments avec ajouts minéraux plus basée sur une approche numérique qu'expérimentale. Une telle méthodologie permettrait à l'industrie cimentière de développer de nouveaux produits tout en s'inscrivant dans le cadre du développement durable en valorisant des sous-produits d'autres industries. L'originalité de la présente méthodologie repose sur l'utilisation maximale d'outils informatiques et de la simulation en remplacement de l'expérimental qui constitue actuellement l'essentiel des études visant à développer de tels ciments. Ceci présente en effet comme intérêts majeurs une réduction des coûts et surtout des temps de développement des ciments qui peuvent durer des dizaines d'années notamment vis-à-vis des essais de durabilité. Le travail de thèse réalisé a tout d'abord consisté à donner une réalité fonctionnelle à la méthodologie qui se décompose en trois étapes successives de tests pour la sélection de la pertinence d'un sous-produit industriel en tant qu'ajout dans un ciment. Pour cela, trois logiciels ont été choisis : • CHESS, code de calcul géochimique, utilisé pour la première étape • VCCTL, code de génération de microstructure de pâte de ciment, utilisé pour la deuxième étape. • HYTEC, code de simulation de transport réactif, utilisé pour la troisième étape. Il a donc fallu adapter ces logiciels à leur utilisation dans le cadre de la méthodologie afin de pouvoir établir une synergie de fonctionnement entre eux. Cette adaptation nous a notamment conduit à une modification conséquente du code source du VCCTL afin de pouvoir étendre ses capacités à la prise en compte d'ajouts inconnus. Le travail s'est ensuite porté sur la validation pratique de la méthodologie en la confrontant à des résultats d'études expérimentales. Cette validation pratique s'est tout d'abord portée sur un CEM I puis sur des mélanges de ciment avec soit un laitier HF soit une cendre volante de lit fluidisé circulant (CVLFC). Les résultats obtenus confirment l'intérêt de l'approche en laissant toutefois entrevoir les limitations actuelles principalement dues aux outils informatiques.

Ce document présente les résultats obtenus pour différents bétons et pâtes de ciment, en ce qui concerne la microstructure, les propriétés hydriques et les déformations de retrait. En particulier, des matériaux à très hautes performances ont été étudiés (formulations avec un faible rapport eau sur ciment, contenant fumée de silice et fluidifiant). De nombreuses techniques expérimentales ont été utilisées à cet effet. Ainsi, les paramètres texturaux ont été déterminés par des méthodes classiques d'investigation de la structure poreuse (intrusion de mercure, adsorption d'azote, ...). Cependant, ces méthodes sont apparues suivant les cas incomplètes ou inadéquates pour fournir les caractéristiques exactes du réseau poreux des pâtes de ciment ou des bétons durcis, notamment dans le cas des matériaux à très hautes performances. La difficulté d'accès à la porosité fine des hydrates (gel C-S-H) est essentiellement responsable des insuffisances de ces méthodes. De plus, le séchage et le dégazage nécessaires, préalablement à la mesure, rendent l'interprétation des résultats délicate. Aussi, un autre type d'expérimentations plus pertinent a été mis en oeuvre : les expériences de désorption et d'adsorption de vapeur d'eau, à partir desquelles ont été obtenues les isothermes, c'est à dire les courbes "Teneur en Eau en fonction de l'Humidité Relative", à 'équilibre, à température constante (T = 23 °C) et pour chaque chemin de désorption/adsorption. L'analyse de ces courbes n'a pas seulement fourni les paramètres de texture (porosité, surface spécifique B.E.T., distribution poreuse,...) dans le domaine des mésopores, non accessible par beaucoup d'autres méthodes, elle a aussi permis l'étude des interactions eau/solide (épaisseur du film liquide adsorbé sur la surface solide, état d'énergie de l'eau des pores, hystérésis, ...). Les cinétiques de transfert d'humidité sont très lentes dans un tel milieu microporeux et elles sont fonction de l'épaisseur de l'échantillon testé ; l'équilibre hydrique a été établi après plusieurs mois avec nos échantillons de quelques millimètres d'épaisseur. La diffusivité a été calculée à partir des courbes de perte (ou gain) de masse en fonction du temps, pour chaque palier d'humidité relative. Au cours de ces expériences, les déformations hygrométriques ont aussi été mesurées, afin d'évaluer le retrait de dessiccation en fonction de l'humidité relative, et de le comparer au retrait endogène. La caractérisation hydrique a été complétée par la détermination de la répartition de la teneur en eau dans des éprouvettes en cours de séchage. A partir d'une large panoplie expérimentale, nous avons obtenu une description complète de la structure poreuse, depuis les pores relatifs au gel C-S-H, jusqu'à l'échelle des macropores. Nous avons mis en évidence les similarités et les différences, du point de vue microstructural et hydrique, entre les différents matériaux. Nous avons ainsi quantifié l'influence des paramètres de formulation tels que, par exemple, le rapport eau sur ciment ou la présence de fumée de silice.

Aujourd'hui, les problèmes environnementaux sont plus graves que jamais. Des mesures urgentes devraient être prises dans tous les domaines de l'activité humaine, y compris la construction. L'un des principaux contributeurs à l'impact négatif de cette industrie sur l'environnement est la fabrication du ciment Portland ordinaire (OPC) nécessaire à la production de béton et d’autres matériaux cimentaire. Malgré son importance, il présente un inconvénient important: sa production est accompagnée par de grandes quantités de gaz à effet de serre. Ils représentent 5 à 8% des émissions mondiales totales de CO2. Des matériaux cimentaires plus écologiques sont maintenant nécessaires.Des réductions significatives de l’impact sur l’environnement ne peuvent être obtenues que par l’utilisation de liants de nouvelle génération dont la fabrication ne nécessite pas beaucoup de processus et de traitements supplémentaires. L'une d'elles consiste à utiliser des déchets industriels comme liants (différentes laitiers, cendres volantes, cendres de biomasse, etc.). De cette manière, il y a non seulement une réduction de l'impact de processus tels que l'extraction minière ou la calcination, mais également le recyclage des déchets (un principe de l'économie circulaire).Une possibilité consiste à utiliser du laitier de haut fourneau (GGBS) comme base pour ce ciment de nouvelle génération. En raison de sa réactivité relativement faible avec l'eau, des suppléments (également appelés activateurs) doivent être utilisés pour favoriser le processus d'hydratation. Le carbonate de sodium (Na2CO3) est l’un des activateurs les plus prometteurs et en même temps les moins étudiés. Un tel ciment alkali-activé présente des propriétés mécaniques et de durabilité élevées, ainsi qu'une empreinte CO2 très faible. Parmi les principaux problèmes qui entravent son utilisation à l'échelle industrielle, on peut mentionner une évolution de la résistance lente à jeune âge et de rhéologie médiocre.L'objectif de la présente thèse est de développer une nouvelle conception du liant à base de laitier activé par Na2CO3, qui répondrait à toutes les exigences modernes du secteur de la construction, en particulier les propriétés rhéologiques et le développement de la résistance à jeune âge. Ce liant doit toujours répondre à au moins trois critères principaux: faible impact environnemental, faibles risques de danger dans les applications sur le terrain et être économiquement compétitif à l'échelle industrielle.Dans le présent travail, l’influence de différents paramètres tels que le rapport eau/liant, la concentration de Na2CO3, la finesse du laitier et les conditions de durcissement sur les propriétés du mélange à jeune âge et à long terme a été étudiée. Sur la base des résultats du processus d’hydratation, les additifs à base de phosphonate qui permettent de contrôler efficacement la rhéologie de tels liants ont été testé avec succès. Ils permettent non seulement de contrôler le temps de prise, mais fournissent également un effet plastifiant.En ce qui concerne l’amélioration des propriétés de résistance au jeune âge, différentes méthodes ont été utilisées. L’utilisation d’un traitement thermique ou d’une augmentation de la finesse du GGBS s’est avérée efficace. L’exploration des causes d’une longue période d’induction a montré que l’accélération pouvait également être obtenue par l’ajout d’une source de calcium à cinétique de dissolution contrôlée. En conséquence, le liant est devenu plus réactif et plus robuste à certains facteurs (concentration d’activateur, rapport eau/liant, conditions de durcissement, etc.). Pour compenser l'empreinte carbone supplémentaire de la source de calcium ajoutée, le liant a été dilué avec succès par le calcaire sans aucune dégradation des propriétés à un certain pourcentage de dilution. / Today, environmental problems are more acute than ever. Urgent measures should be taken in all spheres of human activity including construction and civil engineering. One of the major contributors of negative environmental impacts from this industry is the manufacturing of ordinary Portland cement (OPC) required for concrete and other cementitious materials production. Although its importance to economical development, it has a significant drawback - its production is accompanied by the emission of large quantities of greenhouse gases. They account for 5-8% of total world CO2 emissions. More environmentally friendly cementitious materials are now required.Significant reductions of the environmental impact can be achieved only through the use of new-generation binders whose manufacture does not require a lot of additional processes and treatments. One route is through the use of industrial wastes as binders (different slags, fly ash, biomass bottom ash, etc.). In this way there is not only a reduction in the impact of processes such as mining or calcination, but also the recycling of waste materials (circular economy principle).One possibility is to use ground granulated blast furnace slag (GGBS) as the basis for such a new generation cement. Due to its rather low reactivity with water, additional supplements (also called activators) should be used to promote the hydration process. One of the most promising, and at the same time least studied, activators is sodium carbonate (Na2CO3). Such alkali-activated cements present high mechanical and durability properties, as well as a very low CO2 footprint. Among the main problems hindering its industrial scale adoption are their poor rheology and too slow strength gain within the first days of hardening.The objective of the present thesis is to develop a new binder based on Na2CO3 activated GGBS that would meet all the modern requirements of the construction industry, in particular regarding the rheological properties and early age strength development. In addition this binder should always respond to at least three main criteria: low environmental impact, low health and safety concerns in field applications, and be economically competitive at industrial scale.In the present work, the influence of different parameters like water/binder ratio, Na2CO3 concentration, slag fineness and curing conditions on both early age and long term properties of the mixture were studied. Based on the results of the hydration process analysis, phosphonate based additives that allow for the effective control of the rheology of such binders were successfully tested. They not only allow control over the setting time, but also provide a plasticizing effect.Regarding the improvement of early age strength properties, various methods have been used. The use of heat treatment or an increase of GGBS fineness turned out to be efficient. Exploring the causes of the long induction period has shown that acceleration can also be achieved by the addition of a calcium source with controlled dissolution kinetics. As a result, the binder became more reactive and robust against certain factors (activator concentration, Water/Binder ratio, curing conditions, etc.). To compensate for the additional carbon footprint from the added calcium source, the binder was successfully diluted by limestone without any degradation of the properties below some dilution percentages.

Les mélanges de ciment sulfoalumineux et de ciment Portland sont des liants hydrauliques innovants permettant de moduler les propriétés des bétons, telles que la vitesse de montée en résistance ou la stabilité dimensionnelle. Les performances du liant peuvent ainsi être ajustées pour de nombreuses applications. Au-delà de cet avantage, les émissions de dioxyde de carbone liées à la production du ciment sulfoalumineux sont significativement réduites comparées à celles du ciment Portland traditionnellement utilisé. La diversité des propriétés de ces liants résulte de la variété des mélanges pouvant être réalisés à partir des deux constituants de base. Chaque mélange présente alors une cinétique d'hydratation et des propriétés qui lui sont propres. Par exemple, certains liants sont expansifs mais présentent une montée en résistance progressive, tandis que d'autres sont stables dimensionnellement alors que leur résistance stagne après quelques jours d'hydratation. L'identification et le contrôle des paramètres à l'origine de ces comportements sont donc nécessaires pour garantir des propriétés spécifiques à un usage donné : chape, mortier de réparation, élément préfabriqué, etc. C'est l'objectif de cette étude qui s'attache à déterminer la cinétique, la minéralogie et les propriétés associées à l'hydratation de trois mélanges contenant 85 %, 70 % et 40 % de ciment Portland. Les essais entrepris ont aussi permis d'aboutir à une modélisation thermodynamique des mécanismes d'hydratation. L'impact de la composition du ciment Portland est également étudié. Enfin, il est montré que l'anhydrite et la chaux sont deux leviers qui modifient radicalement le processus d'hydratation et permettent ainsi d'adapter les propriétés d'un mélange aux exigences de son utilisation / Blends of ordinary Portland cement and sulfoaluminate cement are innovative hydraulic binders allowing control of concrete properties such as hardening speed or dimensional stability for specific applications. Moreover, carbon dioxide emissions linked to sulfoaluminate cement are significantly reduced compared to ordinary Portland cement. The binder properties can be adjusted due to the diversity of blends conceivable with these two constituents. Each blend has its own hydration kinetic and properties. For example, some blends are expansive and the hardening is progressive whereas other mixtures are dimensionally stable but their strength stagnates after few days. Identification and control of the parameters responsible of these comportments are necessary in order to guaranty specific properties for each application: screed, repairing mortar, etc. This is the aim of this study which described the hydration kinetic, the properties and composition of three blends containing 85 %, 70 % and 40 % of Portland cement. These experiments are completed by thermodynamic modeling of the hydration mechanisms. The effect of the Portland cement composition has also been tested. Finally, it's shown that anhydrite and calcium hydroxide are two key parameters which modify radically the hydration process and allow the properties adjustment required for the blend used

Le présent travail propose et développe une méthodologie complète d’identification des propriétés mécaniques locales d’un matériau hétérogène à l’échelle des phases constitutives. Il s’agit d’une combinaison de compétences très diverses, à la fois en théorique, en simulation numérique et en expérimentation. Plus précisément, la partie théorique concerne la détermination des relations nano-micro pour le module d’indentation homogénéisé par des techniques de changement d’échelle; la partie numérique basée sur la théorie du calcul à la rupture est réalisée en vue de trouver de ces dernières relations applicables pour la dureté; et la dernière partie est effectuée pour récupérer les propriétés homogénéisées par la voie expérimentale à l’aide de la technique de nano-indentation. L’étude expérimentale de la thèse est pour l’objectif de déterminer des propriétés d’indentation de différents échantillons de pâte de ciment. Un programme expérimental complet, est développé, qui permet de caractériser des phases principales à l’échelle micrométrique de ce matériau, parmi lesquelles nous nous intéressons surtout à celles plus importantes correspondantes à des phases de la matrice C-S-H. La modélisation du problème lié à l’enfoncement d’une pointe d’indentation dans un matériau est étudiée. Pour cela, la première voie, basée sur l’approche cinématique du calcul à la rupture, consiste à tenter de construire des mécanismes de ruine analytiquement, puis à les faire évoluer en fonction du changement de la géométrie initiale, afin d’obtenir la charge de ruine correspondante. La seconde voie consiste ensuite à suivre la même approche, mais en construisant numériquement ces mécanismes de ruine. La charge obtenue dépend naturellement des paramètres de critères retenus, que l’on détermine grâce à la combinaison avec les résultats expérimentaux. Les critères de résistance de Von-Mises et de Tresca valables pour des matériaux purement cohérents ainsi que celui de forme elliptique sont examinés dans ce travail / The present work proposes and develops a complete methodology for identifying the local mechanical properties of a heterogeneous material at the scale of the constitutive phases. It is a combination of very diverse skills in theory, in numerical simulation and in experimentation. More precisely, the theoretical part concerns the determination of the nano-micro relations for the indentation module; the numerical part based on the yield design theory is carried out to find the last relations applicable for the hardness; and the last part is performed to obtain homogenized properties by the experimental way using the nano-indentation technique. The experimental study of the thesis is for the purpose of determining indentation properties of different cement paste samples. A complete experimental program, is developed, which allows characterizing the main phases at the micrometric scale of this material, among which we are mainly interested in the C-S-H matrix phases. The modeling of the problem related to the penetration of an indentation point into a material is studied. For this, the first way, based on the kinematic approach of the yield design theory, consists in trying to construct ruin mechanisms analytically, then to make them evolve according to the change of the initial geometry, in order to obtain the corresponding ultimate load. The second way is then to follow the same approach, but by building numerically these ruin mechanisms. The obtained load depends naturally on the retained criteria parameters, which are determined by the combination with the experimental results. The Von-Mises and Tresca strength criteria for purely coherent materials as well as the elliptical one are examined in this work

La durabilité des assemblages collés du génie civil est abordée à travers deux approches complémentaires aux échelles micro et macroscopiques. La zone interfaciale pâte de ciment / adhésif époxy est d'abord caractérisée par micro-analyse thermique (µTA) et microscopie électronique, ce qui a permis de révéler l'existence d'une interphase polymère (gradient de TG dans l'adhésif à proximité du substrat) et d'une zone de transition (pénétration du polymère dans le substrat). Par ailleurs, l'effet du vieillissement hygrothermique se traduit par la plastification du réseau époxy à court terme et par une reprise du processus de réticulation à plus long terme. La résistance mécanique des assemblages collés est ensuite étudiée au moyen d'un test de clivage. Avant vieillissement, la rupture des assemblages est généralement cohésive dans le support cimentaire. Le vieillissement hygrothermique engendre un affaiblissement de l'interface et déplace le lieu de fissuration vers la zone de transition

Le processus de l’hydratation de ciment et la microstructure qui en résulte, dépendent de la formulation de la pâte et des conditions d’hydratation. Parmi différents facteurs, la température d’hydratation a un effet important sur la microstructure et les propriétés physiques et mécaniques des matériaux cimentaires. Ceci est particulièrement important pour l’étude du comportement des ciments pétroliers. En effet, dans un puits pétrolier, une gaine de ciment est coulée entre la roche réservoir et le cuvelage en acier pour assurer entre autre la stabilité et l’étanchéité du puits. En raison du gradient géothermique (environ 25°C par km), la gaine de ciment le long d'un puits est exposée à une température d'hydratation qui augmente avec la profondeur menant à une augmentation de perméabilité et une baisse de propriétés mécaniques le long du puits. L'objectif cette thèse est d'étudier l'effet de la température d'hydratation dans la gamme de 7°C à 90°C sur la microstructure d'une pâte de ciment (classe G) et d'établir le lien entre les modifications microstructurales et les propriétés élastiques du matériau. La caractérisation de la microstructure est faite en considérant une combinaison de plusieurs méthodes expérimentales, à savoir, la diffraction des rayons X & l’analyse Rietveld, l'analyse thermogravimétrique, porosimétrie par l'intrusion de mercure, l'évaluation de la porosité par lyophilisation ou par séchage à 11% HR, essais de sorption au Nitrogène et à la vapeur d'eau et finalement, la résonance magnétique nucléaire 1H. L’assemblage de masse des différentes phases de la microstructure a été évalué montrant une légère dépendance à la température d’hydratation. L’étude de la porosité a montré une augmentation de la porosité capillaire et une légère diminution de la porosité totale à 28 jours d’hydratation, ce qui résulte en une diminution de la porosité du gel de C-S-H en augmentant la température d'hydratation. Une méthode d'analyse a été proposée pour évaluer la densité saturée de C-S-H et sa composition chimique en termes des rapports molaires C/S et H/S pour un C-S-H sec et saturé. Les résultats montrent que la densité de C-S-H augmente avec la température d'hydratation expliquant ainsi l'augmentation observée de la porosité capillaire à températures élevées. Les rapports C/S et H/S diminuent avec l’augmentation de la température d’hydratation. La caractérisation de la microstructure a permis d’alimenter un modèle micromécanique destiné à prédire les propriétés élastiques de la pâte de ciment pour différentes températures d’hydratation. Des modèles d’homogénéisation auto-cohérents à deux et trois échelles ont montré que l’augmentation de la porosité capillaire ne suffit pas pour expliquer la baisse des propriétés mécaniques avec la température. En effet, l’augmentation de la densité de C-S-H avec la température d’hydratation annule l’effet de l’augmentation de la porosité capillaire sur les propriétés élastiques. La réduction des propriétés mécaniques pourrait être expliquée en considérant une distribution de porosité au sein de C-S-H sous forme de C-S-H basse densité LD et haute densité HD telle que proposée par Tennis et Jennings (2000). Cette possibilité est investiguée par une combinaison de techniques de porosimétrie : porosimétrie par l'intrusion de mercure, adsorption d'azote et désorption de vapeur d'eau et par un calcul inverse à l’aide de la modélisation micromécanique. Les résultats montrent que la porosité intrinsèque LD augmente légèrement tandis que la porosité intrinsèque HD diminue de manière significative avec l'augmentation de la température d'hydratation. La diminution des propriétés élastiques des matériaux cimentaires avec l’augmentation de la température d'hydratation s’avère être due à l’action combinée de l'augmentation de la porosité capillaire et des changements de porosités intrinsèques à l’intérieure de C-S-H / The cement hydration process and the resulting microstructure are highly dependent on the cement formulation and the hydration conditions. Particularly, the hydration temperature has a significant influence on the cement paste microstructure and its mechanical properties. This is for instance important for understanding the behaviour and properties of oil-well cements which are used to form a cement sheath between the casing and the surrounding formation for stability and sealing purposes. This cement sheath is hydrated under a progressively increasing temperature along the depth of a well due to the geothermal gradient (about 25°C/km). It results generally in a decrease of the mechanical properties and an increase of permeability along the well. The aim of the present thesis is to investigate the effect of the hydration temperature in the range of 7°C to 90°C on the microstructure of a class G cement paste and to establish the link between these temperature dependent microstructure and the elastic properties of the material. The microstructure characterization is done by combining various experimental methods, including X-Ray diffraction associated with the Rietveld analysis, thermogravimetric analysis, mercury intrusion porosimetry, porosity evaluation by freeze-drying or drying at 11% RH, Nitrogen and water vapour sorption experiments and finally 1H nuclear magnetic resonance. The mass assemblage of microstructure phases at different curing temperatures has been evaluated and showed a slight dependence on the hydration temperature. The porosity evaluations show an increase of the capillary porosity and a slight decrease of the total porosity at 28 days, resulting in a decrease of the gel porosity by increasing the hydration temperature. An analysis method has been proposed to evaluate the C-S-H saturated density and chemical composition in terms of H/S and C/S molar ratios. The C-S-H bulk density is increasing with increasing hydration temperature which explains the observed increase of the capillary porosity for higher curing temperatures. The C/S ratio and H/S ratio for both solid and saturated C-S-H are decreasing with increasing curing temperature. The provided quantitative characterization of cement paste microstructure is used in a micromechanical modelling for evaluation of the elastic properties at various hydration temperatures. Two and three-scale self-consistent micromechanical models have shown that the increase of capillary porosity with increasing hydration temperature cannot fully explain the drop of elastic properties. This is mainly due to the increased elastic properties of C-S-H being denser at higher temperature that cancel the effect of increasing capillary porosity on the overall elastic properties. Another way to fully account for the decrease of the mechanical properties of cement paste is to consider the porosity distribution inside the C-S-H in the form of two distinguished C-S-H types, High Density (HD) and Low Density (LD) C-S-H, as proposed by Tennis and Jennings (2000). This possibility is probed by a combination of various porosity evaluations: Mercury intrusion porosimetry, nitrogen adsorption and water vapour desorption and by a back calculation using micromechanical modelling. The results show that the LD intrinsic porosity is slightly increasing while the HD intrinsic porosity decreases significantly with increasing hydration temperature. The decrease of the elastic properties of cement based materials with increasing hydration temperature is therefore a combined action of the increase of capillary porosity and the changes of intrinsic C-S-H porosities

Les résines échangeuses d’ions (REI) sont largement utilisées dans l’industrie nucléaire pour décontaminer certains effluents radioactifs. Après utilisation, elles sont généralement enrobées dans des matériaux cimentaires. Cependant, leur cimentation est compliquée par la forte expansion de certains enrobés de résines. L’origine de cette expansion reste mal connue, de même que les conditions qui la favorisent. Au cours de ce travail, les interactions entre des résines échangeuses d’ions cationiques sous forme Na+ ou Ca2+ et du silicate tricalcique (C3S), du ciment Portland (CEM I) ou du ciment au laitier (CEM III/C) ont été étudiées au jeune âge afin d’améliorer la compréhension de cette instabilité dimensionnelle.Les résultats montrent que lors de l’hydratation d’une pâte de C3S ou de CEM I incorporant des REI sous forme Na+, celles-ci subissent transitoirement une phase d’expansion par suite de la diminution de la pression osmotique de la solution interstitielle. Cette expansion de faible amplitude qui se produit juste après la prise est suffisante pour dégrader l’enrobé par ailleurs fragilisé par un ensemble de processus : faible degré d’avancement de l’hydratation, précipitation de C-S-H moins cohésifs car fortement enrichis en sodium, microstructure hétérogène avec des zones de forte porosité et la précipitation de gros cristaux de portlandite facilement clivables à l’interface REI/matrice.Cette expansion peut être empêchée en réalisant un prétraitement calcique des résines ou en les enrobant avec un ciment au laitier dont la cinétique d’hydratation est plus lente que celle du ciment Portland. / Ion exchange resins (IERs) are widely used by the nuclear industry to decontaminate radioactive effluents. After use they are usually encapsulated in cementitious materials. However, the solidified waste forms can exhibit a strong expansion, possibly leading to cracking. Its origin is not well understood as well as the conditions when it occurs.In this work, the interactions between cationic resins in the Na+ or Ca2+ form and tricalcium silicate (C3S), Portland cement (CEM I) or Blastfurnace slag cement (CEM III/C) are investigated at an early age in order to gain a better understanding of the expansion process.The results show that during the hydration of a paste of C3S or CEM I containing IERs in the Na+ form, the resins exhibit a transient expansion of small magnitude due to the decrease in the osmotic pressure of the interstitial solution. This expansion, which occurs just after cement setting, is sufficient to damage the material which is poorly consolidated for several reasons: small hydration degree, precipitation of less cohesive sodium bearing C-S-H, heterogeneous microstructure with highly porous zones and lastly clivable crystals of portlandite at the interface between resins and paste.This expansion can be prevented by performing a calcium pretreatment of the resins or by using a CEM III/C cement with a slower rate of hydration than that of Portland cement.

Les ciments phosphomagnésiens sont des ciments inorganiques de la famille des ciments activés par des acides. Malgré le fait qu'ils soient connus depuis le début du XXème siècle, leur utilisation reste assez limitée dans le génie civil. Ces matériaux sont utilisés dans le cadre de réparation notamment pour des réparations routières qui nécessitent un développement rapide des résistances en compression. Plus récemment, ces ciments ont été utilisés pour des applications de stabilisation/solidification (S/S) des déchets et notamment de certains types de déchets chimiquement incompatibles avec le ciment Portland. Toutefois, les défis de mise en œuvre de ce type de ciment sont liés à la nature même de la réaction, très exothermique et très rapide. La phase liante de ces ciments, la k-struvite (MgKPO4.6H2O), est obtenue par un mélange de magnésie (MgO) et de dihydrophosphate de potassium (KH2PO4) en présence d'eau. MgO + KH2PO4 + 5H2O  MgKPO4.6H2OLes mécanismes qui régissent la prise de ce ciment sont encore mal connus et plusieurs théories, mettant en jeu ou non la formation de produits secondaires, ont été proposées. Nos travaux de recherche ont porté sur la compréhension des mécanismes de prise des ciments phosphomagnésiens ainsi que sur l'influence des paramètres de formulation sur les propriétés de ces ciments. L'étude a montré que la formation de la k-struvite passe par une réaction de précipitation-dissolution d'un produit intermédiaire, la newberyite (MgHPO4.3H2O). Les réactions de formation de ces deux produits sont contrôlées par le taux de sursaturation des espèces en solution et le pH du milieu réactionnel. L'étude met également en lumière la forte sensibilité de ces ciments à la quantité d'eau introduite. Avec un rapport E/C très faible comparativement à un ciment Portland (rapport E/C compris entre 0,1 et 0,25), une faible variation (0,02) entraine la ségrégation de la pâte de ciment et une hétérogénéité à la surface du matériau. Parmi les paramètres de formulation, le rapport molaire MgO/KH2PO4 (Mg/P) est le plus important. En effet, il influe sur la quasi-totalité des propriétés du ciment : résistance en compression, temps de prise, chaleur de réaction, fluidité de la pâte, …. L'utilisation de faibles rapports Mg/P entraine une mauvaise tenue à l'eau du ciment, la formation de cristaux à l'intérieur de la microstructure et visibles à la surface de l'échantillon (apparition d'une efflorescence) ainsi qu'un gonflement important de la pâte de ciment (pouvant aller jusqu'à la fissuration des échantillons). A l'issue de l'étude paramétrique une formulation d'une pâte a pu être définie. Des mesures de variations dimensionnelles, ainsi que des mesures de retrait chimique ont été effectuées, afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu pour induire les phénomènes de gonflement. En support, des analyses de la microstructure (MEB, DRX, ATG) ainsi que des essais de lixiviation viennent compléter la campagne expérimentale. Ces résultats viennent confirmer l'influence d'un rapport Mg/P faible sur le gonflement et la tenue à l'eau du ciment phosphomagnésien. Pour finir, une étude sur l'influence des divers ajouts, dans le but d'améliorer ses performances, a montré que les fillers inertes (sable siliceux ou cendres volantes) retardent le temps de prise et réduisent la chaleur d'hydratation / Magnesium phosphate cements are the most representative cements of the activated-by-acid cements family. Despite the fact that they are known since the early 20th century, their use in civil engineering is fairly limited. These materials are used for road repairs where the fast compressive strength development is an advantage. Recently they have also been used in wastes stabilization/solidification (S/S), especially with wastes incompatible with Portland cement. The challenges of the use of these cements are related to the nature of their formation reaction: fast, very exothermic, with a very short setting time (only a few minutes).The bonding phase, k-struvite (MgKPO4.6H2O), is obtained from magnesium oxide mixed in water with monopotassium phosphate (KH2PO4).MgO + KH2PO4 + 5H2O  MgKPO4.6H2OThe setting mechanisms are still poorly known and various theories, involving or not secondary product formation, have been suggested. Our researches have aimed to understand the setting mechanisms, as well as the influence of the formulation parameters on the properties of the magnesium phosphate cement. Results show that the formation of k-struvite involved a precipitation-dissolution reaction of an intermediate product, the newberyite (MgHPO4.3H2O). Formation reactions of these two products are controlled by the supersaturation rate and the pH of the solution. The study highlights the strong effect of water on the properties of fresh cement paste. With a low mass ratio e/c in comparison of Portland cement (ratio e/c between 0,1 and 0,25), a slight modification of the ratio (0,02) leads to a segregation and a surface heterogeneity of the cement paste. Among the formulation parameters, the molar ratio MgO/KH2PO4 (Mg/P) seems the most important parameter. Indeed, it impacts most of the properties of the magnesium phosphate cement (compressive strength, setting time, reaction heat, paste fluidity …). Low Mg/P ratios lead to poor water resistance, to crystals formation inside the microstructure that can be seen on the surface of the sample (an efflorescence appearance), and to important swelling of the paste, leading to the cracking of the samples. After the parametric study, a magnesium phosphate cement paste has been defined. Dimensional changes and chemical shrinkage measurement were conducted to understand the mechanisms involved in this swelling phenomenon. In support, microstructural analyses (SEM, XRD, TGA) and leaching tests complete the experimental campaign. The results confirm the influence of a low Mg/P ratio on cement swelling and water resistance. Finally, a study on various additions to the paste has been conducted, with the purpose of improving the cement paste performances. It shows that the addition of an inert filler (siliceous sand or fly ashes) has a retarding effect and reduced the reaction heat

La réutilisation et la valorisation de débris de démolition sont un enjeu très important pour l’industrie de la construction, particulièrement au Canada où un grand nombre d’infrastructures arrivent à la fin de leur cycle de vie. Bien que les débris de démolition soient déjà utilisés dans la construction de sous fondations de routes, ceux-ci sont très peu utilisés dans la confection de nouveaux bétons. Ce projet de recherche vise à évaluer le potentiel d’utilisation d’un matériau recyclé à base de débris de démolition dans la confection de nouveaux bétons de résistance moyenne destinés à la construction résidentielle. Le matériau recyclé utilisé dans le cadre de cette étude est un matériau de classe MR-2, composé en majorité de résidus de béton concassé. Cette étude consiste en l’analyse des propriétés des granulats de béton recyclés ainsi que leur impact sur les propriétés des bétons dans lesquels ils sont utilisés en remplacement des granulats naturels. En plus des essais classiques tels que l’analyse granulométrique, la mesure de la masse volumique, de l’absorption et l’essai Los Angeles, la caractérisation des granulats recyclés à permis de mesurer la teneur en mortier résiduel ainsi que la vitesse d’absorption. Les résultats de cette phase ont permis d’adapter la méthode de préparation des bétons confectionnés lors de l’étude paramétrique sur béton. En effet, lors de la confection des bétons, une période de pré-saturation des granulats a été ajoutée au protocole de malaxage afin de minimiser l’impact de la grande porosité des granulats recyclés sur les propriétés à l’état frais du béton. Dans le cadre de l’étude paramétrique, des formulations de béton ayant des rapports eau/liant (E/L) de 0,55 et 0,65 ont été préparées à des taux de remplacement des granulats naturel par des granulats recyclés variables. La résistance à la compression, la résistance à la traction, la résistance à la flexion et le module d’élasticité ainsi que les propriétés de durabilité, notamment, la perméabilité aux ions chlores, le retrait de séchage, la résistance au gel-dégel et la perméabilité à l’eau ont été évaluées pour les mélanges de bétons confectionnés. Les travaux de cette phase ont permis de quantifier l’impact des différents taux de remplacement sur les propriétés des bétons. Bien que le remplacement du granulat naturel par un granulat recyclé ait généralement un impact négatif sur certaines propriétés du béton, il est possible de minimiser ou même d’éliminer celui-ci en optimisant le taux de remplacement. En effet, cette étude a démontré qu’un taux de remplacement de 20% ou même de 35% dans certains cas ne cause pas ou très peu d’impacts négatifs sur les propriétés du béton.