La prédiction des propriétés mécaniques des matériaux cimentaires nécessite d'un modèle intégrant l'hydratation progressive du matériau, le couplage entre la consommation d'eau et les contraintes et l'historique des charges appliquées. Ceci est particulièrement important lors de la modélisation du comportement de la gaine de ciment des puits pétroliers qui est soumise, dès son plus jeune âge, à une large gamme de chargements mécaniques et thermiques qui pourraient avoir un effet négatif sur ses propriétés mécaniques. L’objectif de cette thèse est de fournir un cadre de modélisation pour le comportement hydro-mécanique d'une pâte de ciment pétrolier dès son plus jeune âge jusqu'à son état durci. Le manuscrit est divisé en deux parties. Partie I : cinétique d'hydratation L’évolution des propriétés physiques des matériaux cimentaires est contrôlée par l'avancement des réactions d'hydratation. Deux approches de modélisation sont présentées:- Un cadre théorique pour la modélisation de l'hydratation du ciment est développé comme une extension des modèles de nucléation et de croissance classiques. Le modèle multi-composants proposé considère explicitement le ciment anhydre et l'eau comme des phases indépendantes participant à la réaction. Un taux de croissance est introduit qui permet de représenter sous une forme mathématique unique la croissance linéaire ainsi que la diffusion parabolique. La formulation introduit naturellement des paramètres des mélanges cimentaires tels que la composition de la poudre de ciment, les densités des différentes phases, le rapport eau/ciment, le retrait chimique et les propriétés des hydrates. Les différents mécanismes de contrôle de la réaction sont identifiés sur la base du modèle physique proposé.- Une loi générale de la cinétique d'hydratation basée sur la théorie des transformations en phase solide est proposée. Cette formulation est comparée aux lois d'évolution trouvées dans la littérature et contribue à fournir une explication physique qui pourrait aider à la compréhension de la cinétique d'hydratation du ciment. Dans les deux cas, les modèles cinétiques sont calés sur une série de résultats expérimentaux. Partie II : loi de comportement mécanique Le comportement mécanique de la pâte de ciment est décrit dans le cadre des milieux poreux réactifs. La pâte de ciment est modélisée en tant que matériau poreux multi-phases avec une loi constitutive élasto-visco-plastique, dont les paramètres dépendent du degré d'hydratation. Le retrait chimique de la pâte de ciment et la consommation d'eau pendant l'hydratation sont pris en compte dans la détermination des déformations macroscopiques. L’évolution des paramètres poroélastiques de la pâte de ciment lors de l'hydratation est calculée à l’aide d'un modèle micromécanique. Une surface de charge asymétrique avec des seuils de compression et de traction est adoptée pour le régime plastique, avec des mécanismes d’écrouissage tenant compte à la fois des déformations plastiques accumulées et du degré d'hydratation. Le comportement visqueux est basé sur les notions de la théorie de solidification. Une courbe de rétention d'eau est introduite pour tenir compte de la désaturation potentielle du matériau lors de l'hydratation. Les paramètres du modèle pour une pâte de ciment pétrolier classe G sont évalués en simulant des expériences de chargement mécanique dans un dispositif spécialement conçu pour tester le comportement thermo-mécanique de la pâte de ciment dès le début de l'hydratation. Le modèle prédit avec une bonne précision la réponse d'une pâte de ciment en cours d’hydratation lorsqu'elle est soumise à divers chemins de chargement dès son plus jeune âge. L'importance de l'histoire de chargement est mise en évidence, ainsi que la nécessité de la détermination des contraintes effectives tout au long de la vie du matériau / The prediction of the performance of cement-based materials requires a holistic model integrating the progressive hydration of the material, the coupling between water consumption and strains, and the history of the applied loadings. This is particularly important when modelling the behavior of the cement sheath in oil wells which is subjected, from its earliest age and during its lifetime, to a wide range of mechanical and thermal loadings that could have a detrimental effect on its future mechanical properties. The aim of the present thesis is to provide a complete modelling framework for the hydro-mechanical behavior of an oil well cement paste from its earliest age to its hardened state. The manuscript is divided in two parts. Part I: Hydration kinetics The evolution of the most significant physical properties of cement-based materials is controlled by the advancement of the hydration reactions. Two different modelling approaches are presented:- A theoretical framework for the modelling of cement hydration is developed as an extension of classical nucleation and growth models. The proposed multi-component model explicitly considers anhydrous cement and water as independent phases participating in the reaction. We also introduce a growth rate that encompasses linear as well as parabolic diffusion growth in a single continuous mathematical form. The formulation naturally introduces some of the most relevant parameters of cement paste mixtures, such as the cement powder composition, mass densities of the different phases, water to cement ratio, chemical shrinkage and hydrates properties. The different rate-controlling mechanisms can be identified and interpreted on the basis of the proposed physical model.- A general hydration kinetics law based on the theory of solid phase transformations is proposed. This formulation is compared with the evolution laws found in the literature and helps providing a physical explanation that could shed light on the understanding of cement hydration kinetics. In both cases, the kinetic models are calibrated over a series of experimental results in order to properly evaluate the quality of the predictions. Part II: Mechanical constitutive law The mechanical behavior of cement paste is described in the framework of reactive porous media. The cement paste is modelled as a multi-phase porous material with an elastic-viscous-plastic constitutive law, with mechanical parameters depending on the hydration degree. Furthermore, the cement paste chemical shrinkage and pore water consumption during hydration are accounted for in the determination of the macroscopic strains. The evolution of the poroelastic parameters of the cement paste during hydration is calculated by means of a micromechanical upscaling model. An asymmetric yield surface with compressive and tensile caps is adopted for the elastoplastic regime, with hardening mechanisms considering both the cumulated plastic deformations and the hydration degree. The viscous behaviour is based on the notions of solidification theory. A water retention curve is introduced to account for the potential desaturation of the material during hydration. The model parameters for a class G cement paste are evaluated by simulating the results of mechanical loading experiments in a device specially designed for testing the thermo-mechanical behavior of cement paste from the early stages of hydration. The results show that the proposed model predicts with good accuracy the response of a hydrating cement paste when subjected to various loading paths from its early age. The importance of the loading history is outlined, as well as the need for the accurate determination of the effective stresses throughout the life of the material

Les éthers de cellulose sont systématiquement introduits dans les formulations des mortiers industriels. Les conséquences macroscopiques de ces adjuvants sur la réaction d'hydratation du ciment sont parfaitement connues, mais elles n'en restent pas moins inexpliquées. Ce projet a été initié afin d'accroître notre compréhension des interactions organo-minérales intervenant dans les mortiers.<br />Pour ce faire, le mode d'action de l'éther de cellulose sur la cinétique d'hydratation du ciment a été élucidé. Contrairement à la masse moléculaire du polymère, le degré de substitution des groupements greffés sur la molécule est le paramètre clef. En outre, les éthers de cellulose apparaissent très stables en milieu alcalin. Ainsi, les produits de dégradation de type carboxylate sont en trop faible concentration pour induire le retard d'hydratation constaté. Finalement, il apparaît que les éthers de cellulose ont un impact mineur sur la dissolution des différentes phases anhydres. Au contraire, ces adjuvants présentent un effet important sur la germination-croissance de certains hydrates comme les hydroaluminates de calcium, l'hydrosilicate de calcium et la portlandite.

Résumé : L’utilisation des cendres volantes générées par la combustion de biomasse présente une solution très prometteuse pour la conception de bétons écologiques de haute performance. Cependant, leur comportement dans un milieu cimentaire est encore peu étudié. Ce projet est concentré sur la compréhension des processus d’hydratation d’un système cimentaire contenant les cendres volantes de biomasse disponibles localement. Lors du programme expérimental, la caractérisation physico-chimique des cendres volantes étudiées a d’abord été réalisée. Ensuite, leur effet sur les propriétés rhéologiques, la cinétique d’hydratation, l’évolution des hydrates avec le temps et le développement des résistances ont été examinés. Les systèmes étudiés sont des pâtes et des mortiers avec différents taux de remplacement de ciment par les cendres volantes et deux rapports eau/liant de 0,5 et 0,4 en absence et en présence de superplastifiant. La variation des propriétés physico-chimiques de différents échantillons des cendres volantes (finesse, teneur en chaux libre, en sulfates et en calcite) a été utilisée pour déterminer l’effet de chacun de ces paramètres sur les performances des mélanges. Le remplacement partiel du ciment par les cendres volantes de biomasse entraine des changements sur la rhéologie, la cinétique d’hydratation, la composition des hydrates et la microstructure des pâtes hydratées. De plus, certains problèmes de compatibilité entre les cendres volantes et les superplastifiants sont observés. En se basant sur l’analyse des résultats obtenus, les explications des phénomènes qui se produisent dans les systèmes cimentaires contenant les cendres volantes de biomasse sont proposées. / Abstract : The use of wastepaper sludge ash (WSA) represents a very promising solution for ecological high performance concrete design. However, the effect of WSA on cementitious systems properties is still insufficiently studied. The present project intends to understand the hydration process in Portland cement systems containing locally available WSA. The experimental program begins with characterization of WSA physico-chemical properties. Then, the effect of WSA on rheology, hydration kinetics, hydration products evolution over time and strength development in cement blends is investigated. The systems discussed here are cement pastes and mortars with different cement replacement by WSA ratio and two water to binder ratio (0,5 and 0,4) with and without superplasticizer. The variation of physico-chemical properties (fineness; free lime, sulphate and calcite content) between different WSA samples was used to determine the effect of each of these parameters on blended cement performances. Partial cement replacement by WSA leads to changes in rheology, hydration kinetics, composition of the hydrates and microstructure of hydrated pastes. Moreover, some incompatibility problems between WSA and superplasticizers used are observed. Based on experimental results analysis, the explanations of the phenomena taking place in cement systems containing WSA are proposed.

La vitesse à laquelle le monde actuel fonctionne a des répercutions directes sur tout ce qui nous entoure et, en premier plan, sur le marché de la construction dont les cirières sont de plus en plus exigeants tels que les courts délais de construction, la complexité des formes, etc. L’utilisation des bétons fluides dont les propriétés rhéologiques sont bien maîtrisées est une clé pour satisfaire à ces critères, d’autant plus qu’on se trouve au seuil d’une nouvelle ère dans le monde de la construction incluant l’impression 3D des bétons. Cependant, une sélection adéquate des ajouts minéraux (AM) et des adjuvants chimiques (superplastifiants, SP et agents de viscosité, AV) qui entrent dans la conception des bétons fluides s’avère un problème crucial. Un programme expérimental très étendu est mené pour mettre la lumière sur l’effet de huit différents AM dans des systèmes binaires et ternaires ainsi que l’effet de leurs interactions avec les adjuvants chimiques (SP et AV) sur les propriétés des mortiers de bétons équivalents (MBE). Deux classes de bétons fluides sont visées dans cette étude comprenant les bétons autoplaçants (BAP) pour la construction des bâtiments et les bétons semi-fluides (BSF) pour les infrastructures de transport. Une attention particulière est portée sur les propriétés rhéologiques, sans pour autant négliger la chaleur d’hydratation ainsi que les propriétés mécaniques. Les résultats ont montré qu’il est difficile de faire une généralisation sur l’influence des AM sur les propriétés des MBE. Les propriétés physiques des AM telles que la finesse, la forme ou encore la granulométrie des particules sont des facteurs qui jouent un rôle important dans la rhéologie des bétons fluides. Cependant, l’influence de ces facteurs peut être masquée par l’interaction physique et chimique qui peut avoir lieu entre les poudres et les adjuvants chimiques utilisés (type de SP en présence de ou sans AV compatibles). La morphologie des particules des AM a un effet direct sur la viscosité plastique des MBE. Une forme angulaire et irrégulière (facteur de Ferret autour de 0,4), contribue à augmenter la viscosité plastique des MBE et une forme sphérique (facteur de Ferret proche de 1) contribue à diminuer leur viscosité plastique. Par ailleurs, les résultats de l’analyse statistique ont montré que l’influence des AM en combinaison ternaire (une poudre à faible réactivité avec une poudre à réactivité élevée), en présence d’un rapport eau/poudres (E/P) relativement élevé (0,45), sur la majorité des réponses n’est que la somme des effets individuels de ces poudres. Par contre, un effet d’interaction entre les poudres pour certaines réponses a commencé légèrement à prendre place lorsque le rapport E/P est diminué à 0,41. Cependant, dans le développement des résistances à la compression à 28 et 91 jours, les poudres à réactivité élevée comme la fumée de silice ou le métakaolin avaient généralement une contribution positive plus importante que celle des poudres à faible réactivité. Les résultats de l’hydratation des MBE ternaires, suivie par la calorimétrie isotherme, n’ont pas montré l’effet synergétique escompté de la combinaison d’une poudre à faible réactivité avec une autre à réactivité élevée dû à l’augmentation de la demande en SP en présence de cette dernière. Une optimisation multiparamétrique a permis de sélectionner des ciments ternaires servis au développement des bétons écologiques présentant les meilleures performances. Finalement, l’utilité de la méthode des MBE dans la prédiction de l’effet des AM sur les bétons a été discutée. / Abstract : The speed with which the world operates today has direct repercussions on everything around us and, in the foreground, on the construction market, where the criteria are more and more demanding such as short construction times, complexity of forms, etc. The use of fluid concretes where rheological properties are well controlled is a key to satisfy these criteria, especially since we are on the threshold of a new era in the construction world including the 3D concrete printing. However, an adequate selection of mineral additives (MA) and chemical admixtures (superplasticizers, SP and viscosity agents, VA) that are used in the design of fluid concretes is a crucial problem. A very extensive experimental program is conducted to shed light on the effect of eight different MA in binary and ternary systems as well as the effect of their interactions with the chemical admixtures (SP and VA) on the properties of concrete equivalent mortars (CEM). Two classes of fluid concretes are investigated in this study, including self-consolidating concrete (SCC) for building constructions and semi-flowable concrete (SFC) for transportation infrastructures. Particular attention is paid to the rheological properties, without neglecting the heat of hydration as well as the mechanical properties. The results showed that it is difficult to generalize on the influence of MA on the properties of CEM. The physical properties of MAs such as fineness, shape or particle size distribution are factors that play an important role in the rheology of fluid concretes. However, the influence of these factors can be masked by the physical and chemical interaction that may occur between the powders and the chemical admixtures used (type of SP in the presence or not of a compatible VA). The particle morphology of MA has a direct effect on the plastic viscosity of CEM. An angular and irregular shape (Ferret factor around 0.4) contributes to increase the plastic viscosity of CEM and a spherical shape (Ferret factor close to 1) contributes to decrease their plastic viscosity. Moreover, the results of the statistical analysis showed that the influence of MA in ternary combination (low-reactivity powder with high-reactivity powder), in the presence of a relatively high water-to-powder ratio (W/P) of 0.45, on the majority of responses is only the sum of the individual effects of these powders. On the other hand, an interaction effect between the powders for some responses began slightly when the W/P was decreased to 0.41. However, in developing 28- and 91-day compressive strengths, high-reactivity powders such as silica fume or metakaolin generally had positive contribution higher than low-reactivity powders. Results of ternary CEM hydration followed by isothermal calorimetry did not show the expected synergistic effect of combining a low-reactivity powder with another with high reactivity due to increased demand in SP in the presence of the latter. A multiparametric optimization allowed selection of ternary cements used to develop ecological concretes with the best performance. Finally, the use of the CEM method in prediction of the effect of AM on concrete was discussed.