Dès les premières utilisations des matériaux cimentaires, l'ajout de fibres a permis de renforcer ces matrices fragiles. Ces fibres, comme pour tout autre type d'inclusions, modifient les propriétés rhéologiques du matériau à l'état frais. Dans un premier temps, nous étudions spécifiquement l'influence de l'ajout des fibres sur le seuil d'écoulement de matériaux cimentaires. Nous considérons des écoulements suffisamment brefs pour que l'orientation des fibres soit négligeable. Nous montrons que, comme dans le cas d'inclusions sphériques, il existe une fraction volumique critique de fibres pour laquelle un réseau percolé de contacts directs entre inclusions se forme. Nous déduisons de ce constat une méthode permettant de prédire la quantité de fibres pour laquelle une augmentation de plusieurs ordres de grandeurs du seuil du matériau a lieu. Nous dérivons de cette étude des critères de formulation utilisables dans la pratique industrielle. Nous étendons dans un deuxième temps notre étude aux systèmes anisotropes de façon à prédire l'évolution de l'orientation des fibres lors de coulages industriels standards. Pour cela nous construisons et comparons des outils expérimentaux, analytiques ou numériques permettant respectivement de mesurer et de prédire l'orientation des fibres en fonction des caractéristiques des fibres, du comportement rhéologique du mélange et du procédé de mise en œuvre. Nous montrons que la majorité des écoulements industriels peut se réduire à des écoulements simples pour lesquels le processus d'orientation est décrit en première approximation par les travaux de Jeffery. Des zones mortes dans lesquelles la contrainte est inférieure au seuil du matériau conservent leur isotropie initiale. Nous montrons qu'à l'échelle d'un coulage industriel, l'orientation des fibres peut être considérée comme instantanée. Les méthodes étudiées s'avèrent capables de prédire l'orientation induite par les écoule ments expérimentaux

Pour ajuster la rhéologie des matériaux cimentaires et modifier leurs principales propriétés d'écoulement, l'utilisation des polymères organiques est nécessaire. L'objectif de cette thèse est de définir un cadre général physique permettant de caractériser qualitativement les conséquences de l'introduction d'un ou plusieurs polymères dans une pâte de ciment. De façon à s'affranchir des spécificités chimiques de chaque molécule, nous prenons le parti d'adopter une approche physique générale dans laquelle un polymère est défini par sa localisation (en solution ou à la surface d'un grain) et par sa taille caractéristique (en solution ou à la surface d'un grain). Nous sélectionnons des polymères couvrant la gamme de molécules disponibles lors de la formulation d'un matériau cimentaire : super-plastifiants, agents de viscosité, retardateurs de prise, floculants. Dans un premier temps, nous étudions le comportement des polymères dans le fluide interstitiel d'une pâte de ciment. Nous mesurons leurs rayons hydrodynamiques en solution et leur influence sur la viscosité du fluide interstitiel d'une pâte de ciment. Nous montrons qu'au premier ordre, la conformation, en régime dilué, de la majorité des polymères étudiés ici et tirés de la littérature, peut être décrite par la même courbe maitresse en fonction de la masse molaire. Nous identifions la fraction volumique des polymères en solution comme le paramètre principal qui est à même de capturer la physique dominante et commune à la majorité des polymères étudiés ici et régissant leur comportement macroscopique en solution. Nous étudions ensuite le comportement des polymères dans une pâte de ciment. Nous mesurons leur adsorption à la surface des particules de ciment et nous analysons les résultats obtenus dans deux régimes asymptotiques de la littérature: le régime d'adsorption à faible taux de couverture de surface et le régime d'adsorption à la saturation qui nous donnent respectivement des informations sur l'affinité intrinsèque du trio polymère/surface/solvant et sur la conformation des polymères adsorbés à la saturation. Nous discutons alors les valeurs d'affinité et d'adsorption à la saturation mesurées à la lueur des paramètres et des structures moléculaires de nos polymères. Dans une troisième partie, nous rappelons les origines physiques microscopiques du comportement rhéologique d'une pâte de ciment. Nous identifions, dans le cas où les polymères n'introduisent pas de nouvelles forces dans le système deux paramètres principaux, la distance inter-particulaire et la viscosité du fluide interstitiel, qui peuvent être ajustés par l'ajout de polymères et entrainer des changements majeurs dans la rhéologie d'une pâte de ciment standard. Dans une dernière partie, nous étudions la compétition d'adsorption entre polymères à la surface des particules de ciment. Nous proposons tout d'abord un protocole expérimental basé sur des mesures de diffraction dynamique de la lumière nous permettant de distinguer les adsorptions respectives de deux polymères sur une même surface. Nous illustrons ensuite la compétition d'adsorption et l'utilisation potentielle qui peut être faite de cette technique en étudiant successivement les compétitions d'adsorption entre un super-plastifiant et trois autres espèces adsorbantes : des ions sulfates, un retardateur de prise et un agent de viscosité. Nous montrons que, selon le taux de couverture de surface, cette compétition peut être plus au moins marquée et ses conséquences rhéologiques plus au moins drastiques. L'approche physique proposée ici consistant à ignorer autant que possible les spécificités chimiques des macromolécules étudiées atteint, à plusieurs occasions, ses limites. Lorsque c'est le cas, nous regroupons à la fin des parties concernées les discussions et analyses des situations où l'introduction d'un polymère dévie de la réponse générique au premier ordre obtenue pour l‘ensemble des autres macromolécules étudiées / To fulfil the rheological requirements of cementitious materials, mix designer engineers use various polymers. Theses admixtures either stay in the suspending fluid modifying its viscosity or adsorb at the surface of cement particles modifying their surface properties and their interactions. In this work, we propose a general physical frame allowing for the description of the consequences of the addition of one or various polymers on the rheology of cement paste. We identify two main parameters affecting the rheology of cement paste, which can be modified by chemical admixtures. These parameters are the inter-particle distance and the viscosity of the suspending fluid. Our solution viscosity and hydrodynamic radii measurements in synthetic cement pore solution suggest that the volume fraction of polymers is the main parameter enhancing the viscosity of the suspending fluid. By means of rheological and adsorption measurements, we study the effects of polymers on the inter-particle distance and the rheological behavior of the suspension. Finally, we study the competitive adsorption between polymers at the surface of cement particles. We propose a technique based on dynamic light scattering measurements allowing for the measurement of the respective adsorption of two polymers at the surface of cement particles. We then study the competitive adsorption between a super-plasticizer and sulfate ions, retarder or viscosity enhancing admixtures

Dès les premières utilisations des matériaux cimentaires, l'ajout de fibres a permis de renforcer ces matrices fragiles. Ces fibres, comme pour tout autre type d'inclusions, modifient les propriétés rhéologiques du matériau à l'état frais. Dans un premier temps, nous étudions spécifiquement l'influence de l'ajout des fibres sur le seuil d'écoulement de matériaux cimentaires. Nous considérons des écoulements suffisamment brefs pour que l'orientation des fibres soit négligeable. Nous montrons que, comme dans le cas d'inclusions sphériques, il existe une fraction volumique critique de fibres pour laquelle un réseau percolé de contacts directs entre inclusions se forme. Nous déduisons de ce constat une méthode permettant de prédire la quantité de fibres pour laquelle une augmentation de plusieurs ordres de grandeurs du seuil du matériau a lieu. Nous dérivons de cette étude des critères de formulation utilisables dans la pratique industrielle. Nous étendons dans un deuxième temps notre étude aux systèmes anisotropes de façon à prédire l'évolution de l'orientation des fibres lors de coulages industriels standards. Pour cela nous construisons et comparons des outils expérimentaux, analytiques ou numériques permettant respectivement de mesurer et de prédire l'orientation des fibres en fonction des caractéristiques des fibres, du comportement rhéologique du mélange et du procédé de mise en œuvre. Nous montrons que la majorité des écoulements industriels peut se réduire à des écoulements simples pour lesquels le processus d'orientation est décrit en première approximation par les travaux de Jeffery. Des zones mortes dans lesquelles la contrainte est inférieure au seuil du matériau conservent leur isotropie initiale. Nous montrons qu'à l'échelle d'un coulage industriel, l'orientation des fibres peut être considérée comme instantanée. Les méthodes étudiées s'avèrent capables de prédire l'orientation induite par les écoule ments expérimentaux / Fibers have always been added to cementitious materials in order to reinforce the brittle nature of the matrix. As for any other type of inclusions, fiber addition modifies the rheological behavior of the material in the fresh state. In a first part, we focus on the influence of fiber addition on the yield stress of cementitious materials. We only consider flows which are too short or with no steady streamlines for orientation to affect the behavior of the material. We show that, as for spherical inclusions, a critical fiber volume fraction leads to the formation of a percolation network between all the inclusions. Predictions of this critical volume fraction can be derived from experimental measurements, leading to a sudden increase of several orders of magnitude in yield stress. Industrial mix design criteria are finally proposed. This work is extended in a second part to anisotropic systems. We then focus on the prediction of fiber orientation during standard industrial castings. Tools are built and compared from experimental, analytical and numerical approaches in order to measure and predict fiber orientation as a function of fiber characteristics, suspension rheological behavior and casting process. It is shown that most industrial flows can be considered as simple flows during which fiber orientation process is, as a first approximation, described by the Jeffery theory. In plug flow zones, where stress is lower than the material yield stress, the initial isotropy is conserved. We show that, at the time scale of the casting process, fiber orientation can be considered as instantaneous. It is finally concluded that analytical and numerical methods used in this work enable to predict orientation induced by the flows experimentally validated

Le phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires est l'une des causes majeures de la corrosion des armatures de structures en béton armé. Ce phénomène est étudié depuis de nombreuses années sur les ciments Portland ordinaires CEM I, et les mécanismes sont relativement bien identifiés. Néanmoins, on remarque que si l'on substitue une partie du ciment par des ajouts tels que des cendres volantes, la réaction pouzzolanique ou les réactions d'hydratation qui s'en suivront amèneront à un contenu molaire plus faible en CHet aboutiront à la création d'une plus grande quantité d'hydrates de type C-S-H. Le pouvoir tampon qu'exerce la portlandite sur le pH de la solution interstitielle sera affaibli et le matériau cimentaire sera potentiellement plus sensible à la présence de CO2 au travers d'une carbonatation des C-S-H qui sera plus marquée. D'un point de vue physique, les évolutions microstructurales induites par un niveau élevé de carbonatation des C-S-H deviennent complexes et peuvent accélérer la diffusion du CO2. Cette thèse a ainsi pour but de caractériser le comportement vis-à-vis de la carbonatation des ciments contenant de forts dosages en cendres volantes et de développer une modélisation des systèmes cimentaires correspondants. Des pâtes de ciment et mortiers ont été formulés avec des rapports E/C variables et différents taux volumiques de substitution en cendre volante. Après une longue cure endogène, des essais de carbonatation accélérée ont été réalisés (10% de CO2, 25°C et 63% HR). À diverses échéances, des essais destructifs (analyse thermique, porosimétrie au mercure et projection de phénolphtaléine) et non-destructifs (gammadensimétrie) ont permis de quantifier le dioxyde de carbone fixé dans chaque type d'hydrate (CH et C-S-H), les changements de microstructure induits (porosité, distribution poreuse), ainsi que l'eau de structure libérée par carbonatation. On a ainsi pu relier les changements de microstructure et la libération d'eau avec les niveaux de carbonatation de la portlandite et des C-S-H.Dans un second temps, la plateforme de modélisation, Bil (sous licence GPL), développée à l'Ifsttar a été utilisée comme support pour le développement d'un modèle aux volumes finis. Il permet de décrire simultanément des réactions chimiques couplées à un transport de matière. Les lois de comportement chimiques - microstructurales (évolution du volume molaire des C-S-H en fonction de leur état de décalcification) et hydriques (eau relarguée par la carbonatation) mises en évidence par la campagne expérimentale ont pu être ainsi introduites dans le modèle. La cinétique de dissolution de la portlandite est paramétrée par une réduction d'accessibilité des amas de cristaux de CH qui, au cours du temps, se recouvrent d'une gangue de calcite de moins en moins perméable. La contribution des C-S-H est prise en compte. Une approche thermodynamique originale permet de décrire leur état de décalcification à l'équilibre au cours de la carbonatation. Au final, de nombreuses espèces chimiques, ainsi que leur spéciation, sont introduites dans le modèle, notamment les alcalins qui ont un effet marqué sur le pH / Reaction of gaseous atmospheric CO2 with calcium-bearing phases in concrete infrastructure components is known to cause a lowering of alkalinity, leading to depassivation and corrosion of rebars. Carbonation mechanism is quite well understood from a physico-chemical point of view, especially in the case of materials made of OPC. Nonetheless the impact of supplementary cementitious materials (SCM), such as fly-ash, on carbonation is still an active research field. The pozzolanic reaction between CH and fly ash implies a lower portlandite content and a higher C-S-H content. Whilst CH is buffering the pH, its lower content in these materials may lead to a lower resistance to carbonation and to a higher contribution of C-S-H in terms of microstructural changes. Thus, this PhD thesis aims at understanding the effect of cement substitution by high contents of fly ash and develop a numerical model describing the carbonation of these cementitious materials. Accelerated carbonation tests (10% CO2, 25°C and 63% RH) were performed on various cement pastes containing fly ash (0%, 30% and 60% of volumic substitution and water-to-cement ratio before substitution of 0.45 and 0.6). Carbonation profiles were assessed by destructive and non-destructive methods such as thermogravimetric analysis and mercury intrusion porosimetry (destructive), as well as gamma-ray attenuation (non-destructive). Carbonation penetration was studied at different ages of CO2 exposure. By correlating microstructure changes with the degree of carbonation of each hydration product related to the formation of calcium carbonate, we are able to propose analytical relationships linking the decrease in porosity and the amount of released water to the carbonation level of CH and C-S-H.The modeling platform Bil (GPL) developed at Ifsttar was used to develop a reactive transport modeling of atmospheric carbonation, using a finite volume method. We introduced in the model the constitutive equations we highlighted using the experimental data. Microstructure evolution was quantified, taking into account the effect of the progressive decalcification of C-S-H linked to their molar volume, as well as the quantity of water released by carbonation. Combined with a kinetic formulation of CH dissolution, C-S-H decalcification was described by an original thermodynamic approach. In the end, many chemical species were introduced in the model, such as alkalis which strongly affect pH

Ce travail s'inscrit dans le contexte des recherches menées pour la modélisation des composites aléatoires, permettant de déterminer leurs propriétés mécaniques effectives (élasticité et résistance). Parmi les modèles micromécaniques, numériques ou analytiques, développés dans ce but, on retrouve certains qui prennent en compte les effets d'interfaces se produisant aux frontières des inclusions des composites. Ces interfaces ont, selon plusieurs auteurs, une grande influence sur les propriétés élastiques et de rupture. Les modèles les considérant à ce jour sont néanmoins limités aux cas d'inclusions sphériques ou cylindriques. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs approches et modèles micromécaniques (ou multi-échelles) qui permettent de déterminer les propriétés élastiques et poroélastiques ainsi que les modes de ruptures de matériaux composites granulaires présentant divers effets d'interfaces. Les morphologies inclusionnaires étudiées ne se limitent pas à la forme sphérique mais s'étendent également aux inclusions ellipsoïdales ce qui nous a amené à examiner une rupture inter-granulaire anisotrope. Les modèles de rupture développés dans ce travail ont été appliqués aux gels de C-S-H (hydrates de la pâte de ciment) ce qui a permis d'améliorer les modèles de rupture consacrés aux pâtes durcies. Les prédictions de ces modèles ont pu être confrontées à des données expérimentales de résistance à la compression simple des pâtes / Modelling composite media in view of determining its effective mechanical behaviour has been the topic of a large number of research papers. Some analytical and numerical models that can be found in the scientific literature on this topic take into account the interface effects that can arise at inclusions' boundaries. These interfaces have a major influence on the mechanical properties of composites according to some researchers. However, the models considering them are limited to spherical and cylindrical inclusions. In this work, several multi-scale approaches and models are developed to consider interface effects in the determination of the effective elastic and poroelastic properties and the failure mechanisms of granular composites. These models are performed on both spherical and ellipsoidal shapes of inclusions. The latter has led us to investigate an anisotropic inter-granular failure in granular media. The failure models developed in this work are applied to the microstructure of C-S-H gels (a cement paste hydrate) in order to improve the existing models on cement paste failure. The predictions of these improved models are compared to experimental data on the compressive strength of cement pastes

Afin de conditionner les déchets technologiques issus du démantèlement de l’Atelier de Vitrification de Marcoule au Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA), leur blocage dans une matrice cimentaire est envisagé. Dans ce contexte, l’effet des rayonnements ionisants issus des déchets nucléaires sur la matrice de confinement doit être examiné afin de garantir d’une part l’intégrité du colis, et d’autre part une production de gaz de radiolyse limitée. Ce travail de thèse s’intéresse au comportement sous irradiation gamma et électronique de trois types de matériaux cimentaires aux constituants différents et se focalise sur la production de gaz de radiolyse et sur l’évaluation de la résistance physique à travers l’observation des modifications structurales. Le sujet est traité par une double approche à la fois sur pâte de ciment et sur phases modèles, c’est-à-dire sur les hydrates constitutifs des pâtes de ciment synthétisés indépendamment. Il apparaît clairement que l’eau porale ainsi que les hydrates constitutifs contribuent à la production d’hydrogène radiolytique, avec une forte variation selon la nature des matériaux cimentaires. Ainsi, les ciments à base d’aluminates de calcium et les ciments phospho-magnésiens présentent un intérêt notable par rapport aux ciments silico-calciques usuels quant à la production d’hydrogène. Aux très fortes doses (plusieurs GGy) la résistance structurale sous irradiation électronique a été évaluée par diffraction de rayons X. Les hydrates constitutifs des trois familles de ciment étudiées présentent une bonne résistance structurale. Malgré la présence de variations dimensionnelles et microstructurales, ils ne s’amorphisent pas sous irradiation, ce qui s’avère positif en vue de l’application industrielle envisagée. / In order to treat the technological waste arising from the dismantling of the Marcoule Vitrification facility of the French Atomic Energy Commission (CEA), conditioning in a cement matrix is being put forward. Within this context, the impact of ionizing radiation produced by the nuclear waste on the confinement matrix ought to be investigated in order to ensure both the integrity of the package and the limitation of the radiolytic gas production. This thesis investigates the behavior of three types of cement compounds with distinct constituents under gamma and electronic radiation. This study deals with both the radiolytic gas production and the physical resistance of the materials using a structural modification examination. A double and complementary approach is used treating cement pastes and synthetic cement compounds together. It clearly appears that the pore water and the hydrates themselves both contribute to the radiolytic hydrogen production, with a significant variation depending on the nature of the materials. As far as radiolysis is concerned, calcium aluminate-based cements and magnesium phosphate cements are of considerable interest in comparison with the usual calcium silicate cements. At very high doses (GGy range), the structural resistance under electron irradiation was evaluated by X-ray diffraction. The constituent hydrates of the three cement types studied exhibit a good structural resistance. Despite the presence of dimensional variations at the unit cell scale as well as microstructural evolution, no amorphization is observed under irradiation, which is an interesting result with respect to the intended industrial application.

L’auto-cicatrisation des fissures des matériaux cimentaires présente un intérêt important pour améliorer leur durabilité (propriétés de transfert par exemple). L’impact du laitier de haut-fourneau sur ce phénomène a été peu étudié bien qu’il ait été observé sur des ouvrages du Génie Civil. Dans cette étude, la cinétique et l’amplitude de l’auto-cicatrisation ont été suivies par des essais non destructifs : la tomographie aux rayons X et la perméabilité à l’air, pour une fissuration créée à 7 jours et à 28 jours. Les résultats montrent que le laitier de haut-fourneau possède un potentiel d’auto-cicatrisation intéressant pouvant dépasser les résultats obtenus pour les formulations de référence sans laitier. Ce bon potentiel dépend des caractéristiques physicochimiques des matériaux brutes et du potentiel d’hydratation de la formulation au cours du temps. De plus pour suivre l’auto-cicatrisation, un nouvel essai a été mis en place afin de fissurer les éprouvettes de mortier par retrait gêné et d’étudier l’auto-cicatrisation d’une fissure naturelle. Cet essai s’est avéré efficace sur la formulation de référence. Une caractérisation des produits de cicatrisation par MEB-EDS témoigne de la formation de nouveaux produits dans les fissures et de l’impact important des conditions de stockage sur le type de produits formés: des C-S-H pour un stockage sous eau et des carbonates de calcium pour un stockage en chambre humide (CO2 + eau). Les résultats de migration aux chlorures de nano-indentation montrent que ces produits de cicatrisation possèdent de bonnes propriétés de durabilité et des propriétés mécaniques à l’échelle microscopique intéressantes (pour le carbonate de calcium). Enfin, une modélisation du phénomène d’auto-cicatrisation est proposée au moyen du code de calcul de géochimie PHREEQC. L’étude a révélé le potentiel intéressant de PHREEQC pour modéliser l’auto-cicatrisation et en faire un outil de prédiction du phénomène. / Self-healing of cementitious materials presents great interest to improve the durability of concrete structure (transfer properties for example). The impact of blast-furnace slag on this phenomenon is not yet clear even if the self-healing of concrete with blast-furnace slag was observed in building sites. To understand the blast-furnace slag influence, non-destructive methods were used to follow self-healing: X-ray tomography and gas permeability test. All specimens were cracked at 7 days and 28 days. The results show that the blast furnace slag has an interesting self-healing potential that can exceed the reference formulation results. This good potential depends on the physico-chemical characteristics of the raw materials and the hydration potential of the formulation over time. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. This test has proven effective over the reference formulation.The SEM with EDS analysis showed the formation of new products in the crack and the impact of storage conditions on these products : C-S-H for specimens stored in water and calcium carbonate for specimens stored in a damp chamber (CO2 + water). Migration chlorures and nano-indentation tests results showed that self-healing products had interesting durability properties and micro-mechanical properties (for calcium carbonate). Finally, self-healing modelling is proposed by means of geochemistry PHREEQC calculation code. The study revealed interesting potential PHREEQC to model self- healing phenomenon and make it a of predictive tool.

Les matériaux cimentaires sont les plus utilisés dans les ouvrages du génie civil. Que ce soit dans les domaines de l'habitation, des transports ou bien encore de l'énergie, ils sont utilisés massivement et doivent faire face à un environnement varié et parfois agressif. Le béton, particulièrement lorsqu'il est armé, est un matériau qui de part son fonctionnement est amené à fissurer. Outre l'aspect visuel qui peut attirer l'attention des utilisateurs, la fissuration impacte, en premier lieu la résistance mécanique mais aussi la durabilité de l'ouvrage. Une meilleure caractérisation de cette fissuration (quantité, trajet, tortuosité) est donc un enjeu majeur. Pour répondre à cette problématique, il est nécessaire de prédire le comportement à long terme des ouvrages. Néanmoins, cette tâche reste ardue. La grande hétérogénéité du matériau combinée aux sollicitations multiples (thermique, chimique, hydrique, mécanique) rend l'œuvre complexe. Si on s'intéresse plus spécifiquement aux sollicitations hydriques, on constate que toute structure tend à s'équilibrer avec son milieu ambiant entraînant un phénomène de dessiccation. L'objectif de ce travail de thèse est de prendre en compte les effets de cette dessiccation dans la détermination des propriétés mécaniques et du comportement macroscopique des ouvrages en béton (à l'échelle de l'échantillon de laboratoire) afin de mettre en place un cadre de modélisation éléments finis prédictif prenant en compte la dessiccation et les phénomènes associés. Conventionnellement, lorsque les propriétés mécaniques du béton sont caractérisées, les contraintes internes ne sont pas considérées et les phénomènes de dessiccation ne sont pas pris en compte. Néanmoins, le gradient hydrique entre la surface et le cœur d'une structure en béton peut mener à un état de contrainte hétérogène et engendrer une micro-fissuration conséquente. Dans certains cas (durabilité, étanchéité), ce phénomène peut-être d'une importance majeure. Bien qu'il semble remarquable, l'impact du séchage et de la micro-fissuration sur les propriétés mécaniques n'est que peu étudié. De plus, les résultats obtenus sont parfois contradictoires ce qui ne permet pas de dégager de consensus. Il est notable que dans la description du phénomène, trois facteurs prépondérants peuvent être dégagés. L'un d'eux, la pression capillaire, améliore la résistance du matériau et les deux autres, le gradient hydrique ainsi que l'incompatibilité de déformation entre la pâte et les granulats, vont diminuer les caractéristiques mécaniques à long terme. Peu d'études comparent l'influence de la dessiccation sur les propriétés mécaniques en mettant en regard les résultats obtenus suivant les différentes méthodes de caractérisations standards. Ce travail de thèse développe, des campagnes expérimentales investiguant les effets de la dessiccation sous humidité relative, température et temps de dessiccation variés. Il se poursuit par la mise en place du cadre de simulation numérique s'appuyant sur les expériences réalisées. Ces dernières sont modélisées mécaniquement en tenant compte du processus de dessiccation. La prise en compte du retrait de dessiccation, du développement du fluage propre et de dessiccation ainsi que l'apport de la pression capillaire permet de retrouver les résultats expérimentaux mécaniques. De ces simulations mécaniques, des faciès et des ouvertures de fissure sont extraits du modèle continu en se basant sur la théorie de la bande de fissuration. Enfin, des outils d'identification sont développés dans ce cadre afin de déterminer les propriétés des différents modèles numériques. / Cementitious materials are the most used material in civil engineering fields. Whether in the areas of housing, transport or energy, they are used heavily and have to face a varied and sometimes aggressive environment. Concrete, especially when it is reinforced, is a material which by its operation is caused to crack. In addition to the visual aspect that can attract the attention of users, cracking impacts, primarily the mechanical strength but also the durability of the structure. A better characterization of this cracking (quantity, path, tortuosity) is therefore a major issue.To answer this problem, it is necessary to predict the long-term behavior of structures. Nevertheless, this task remains arduous. The great heterogeneity of the material combined with multiple stresses (thermal, chemical, hydric, mechanical) makes the work complex. If one is interested more specifically in the hydric solicitations, one finds that any structure tends to equilibrate with its environment causing a phenomenon of drying.The aim of this thesis is to take into account the effects of drying on the mechanical properties and the macroscopic behavior of concrete structures (at the laboratory sample scale) in order to set up a predictive finite element modelling framework taking into account drying and associated phenomena. Conventionally, when the mechanical properties of concrete are characterized, internal stresses are not considered and drying phenomena are not taken into account. Nevertheless, the hydric gradient between the surface and the core of a concrete structure can lead to a state of heterogeneous stress and generate a consequent micro-cracking. In some cases (durability, tightness), this phenomenon may be of major importance.Although it seems remarkable, the impact of drying and micro-cracking on mechanical properties is poorly studied. In addition, the results obtained are sometimes contradictory which does not allow to reach consensus. It is notable that in the description of the phenomenon, three overriding factors can be identified. One of them, the capillary pressure, improves the resistance of the material and the two others, the water gradient as well as the incompatibility of deformation between the paste and the aggregates, will decrease the mechanical characteristics in the long term.Few studies compare the influence of desiccation on mechanical properties by comparing the results obtained using different standard characterization methods. This thesis work develops experimental campaigns investigating the effects of drying under relative humidity, temperature and drying time varied. It continues with the implementation of the numerical simulation framework based on the experiments carried out.These are modelled mechanically taking into account the drying process. Taking into account the withdrawal of desiccation, the development of clean creep and desiccation as well as the contribution of the capillary pressure makes it possible to recover the experimental mechanical results. These mechanical simulations, facies and crack openings are extracted from the continuous model based on the crack band theory. Finally, identification tools are developed in this context to determine the properties of different numerical models.

Cette thèse porte sur la modélisation morphologique de matériaux cimentaires, et sur l'analyse de leurs propriétés linéaires élastiques. Dans cet objectif, des images 3D, obtenues par micro-tomographie, de matériaux cimentaires (mortier et béton) sont étudiées. Dans un premier temps, l'image de mortier est segmentée afin d'obtenir une image de microstructure réelle pour des calculs en élasticité linéaire. L'image de béton est utilisée, après traitement, pour la détermination des caractéristiques morphologiques du matériau. Un modèle aléatoire de béton est ensuite développé et validé par des données morphologiques. Ce modèle comporte trois phases qui correspondent à la matrice, les granulats et les pores. La phase des granulats est modélisée par implantation sans recouvrement de polyèdres de Poisson. Pour cela, un algorithme de génération vectorielle de polyèdres de Poisson est mis en place et validé par des mesures morphologiques. Enfin, les propriétés linéaires élastiques effectives de la microstructure de mortier et de microstructures simulées sont déterminées par méthode FFT (Fast-Fourier Transform), pour différents contrastes entre le module de Young des granulats et de la matrice. Cette étude des propriétés effectives est complétée par une analyse locale des champs dans la matrice, afin de déterminer l'arrangement spatial entre les zones de concentration de contraintes dans la matrice, et les différentes phases de la microstructure (granulats et pores). Une caractérisation statistique des champs est de plus réalisée, avec notamment le calcul du Volume Élémentaire Représentatif (VER). Une comparaison des propriétés élastiques effectives et locales obtenues d'une part sur une microstructure simulée contenant des polyèdres et d'autre part sur une microstructure contenant des sphères est de plus effectuée.

Le phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires est l'une des causes majeures de la corrosion des armatures de structures en béton armé. Ce phénomène est étudié depuis de nombreuses années sur les ciments Portland ordinaires CEM I, et les mécanismes sont relativement bien identifiés. Néanmoins, on remarque que si l'on substitue une partie du ciment par des ajouts tels que des cendres volantes, la réaction pouzzolanique ou les réactions d'hydratation qui s'en suivront amèneront à un contenu molaire plus faible en CHet aboutiront à la création d'une plus grande quantité d'hydrates de type C-S-H. Le pouvoir tampon qu'exerce la portlandite sur le pH de la solution interstitielle sera affaibli et le matériau cimentaire sera potentiellement plus sensible à la présence de CO2 au travers d'une carbonatation des C-S-H qui sera plus marquée. D'un point de vue physique, les évolutions microstructurales induites par un niveau élevé de carbonatation des C-S-H deviennent complexes et peuvent accélérer la diffusion du CO2. Cette thèse a ainsi pour but de caractériser le comportement vis-à-vis de la carbonatation des ciments contenant de forts dosages en cendres volantes et de développer une modélisation des systèmes cimentaires correspondants. Des pâtes de ciment et mortiers ont été formulés avec des rapports E/C variables et différents taux volumiques de substitution en cendre volante. Après une longue cure endogène, des essais de carbonatation accélérée ont été réalisés (10% de CO2, 25°C et 63% HR). À diverses échéances, des essais destructifs (analyse thermique, porosimétrie au mercure et projection de phénolphtaléine) et non-destructifs (gammadensimétrie) ont permis de quantifier le dioxyde de carbone fixé dans chaque type d'hydrate (CH et C-S-H), les changements de microstructure induits (porosité, distribution poreuse), ainsi que l'eau de structure libérée par carbonatation. On a ainsi pu relier les changements de microstructure et la libération d'eau avec les niveaux de carbonatation de la portlandite et des C-S-H.Dans un second temps, la plateforme de modélisation, Bil (sous licence GPL), développée à l'Ifsttar a été utilisée comme support pour le développement d'un modèle aux volumes finis. Il permet de décrire simultanément des réactions chimiques couplées à un transport de matière. Les lois de comportement chimiques - microstructurales (évolution du volume molaire des C-S-H en fonction de leur état de décalcification) et hydriques (eau relarguée par la carbonatation) mises en évidence par la campagne expérimentale ont pu être ainsi introduites dans le modèle. La cinétique de dissolution de la portlandite est paramétrée par une réduction d'accessibilité des amas de cristaux de CH qui, au cours du temps, se recouvrent d'une gangue de calcite de moins en moins perméable. La contribution des C-S-H est prise en compte. Une approche thermodynamique originale permet de décrire leur état de décalcification à l'équilibre au cours de la carbonatation. Au final, de nombreuses espèces chimiques, ainsi que leur spéciation, sont introduites dans le modèle, notamment les alcalins qui ont un effet marqué sur le pH