L'objectif de la thèse est d'étudier l'effet de la quantité de fillers vis-à-vis des propriétés rhéologiques, mécaniques et dimensionnelles de bétons tout calcaire. Ces bétons ont été confectionnés avec les mêmes gravillons et le même sable provenant de la même production, afin d'éviter tout artéfact. Le sable a servi à fabriquer cinq sables représentatifs des catégories définies dans la norme EN 12260 des granulats à bétons, par mélange avec sa fraction fine ou sa fraction grenue extraites préalablement par lavage. Les sables fabriqués contiennent environ 0, 6, 12, 18 et 24% de fillers. Les bétons ont été formulés avec le logiciel BetonlabPro2, dont les algorithmes prennent en compte la présence des fillers calcaires. Les bétons ont été réalisés tout d'abord sans superplastifiant, puis en présence d'un superplastifiant dosé à 2/3 de la saturation. Les résultats obtenus ont montré qu'une quantité de fillers de 100 à 130 kg/m3 pour les bétons courants et de 60 à 80 kg/m3 pour les bétons superplastifiés, permet d'obtenir des propriétés optimales, à consistance égale. Mais des quantités supérieures de fillers n'altèrent pas significativement les propriétés des bétons, même si leur compacité diminue. On explique ce comportement non seulement par l'effet liant attribué aux fillers calcaires, mais aussi par une amélioration de la liaison pâte granulats. Les mélanges contenant les plus forts taux de fillers ont encore été étudiés pour formuler des bétons autoplaçants BAP, qui nécessitent une grande quantité de fillers. Les sables de concassage apportent alors la majeure partie de ce constituant, ce qui leur ouvre une voie nouvelle d'utilisation / The objective of this work is to study the effect of the quantity of fillers on the rheological, mechanical and dimensional properties of calcareous concretes. These concretes were made with the same coarse aggregates and same sand coming from the same production, in order to avoid any artifact. Sand was used to manufacture five sands representative of the categories defined in the EN 12260 norm for aggregates for concretes, by mixture with its fine fraction or its grained fraction extracted beforehand by washing. The employed sands contain approximately 0, 6, 12, 18 and 24 % of fillers. The concretes were formulated with the BetonlabPro2 software, whose algorithms take into account the presence of the fillers limestones. Concretes were realized at first without superplastifiant, then in the presence of a superplastifiant measured in 2/3 of saturation. The obtained results showed that a quantity of fillers limestones from 100 to 130 kg/m3 for the concretes and from 60 to 80 kg / m3 for superplasticizred concretes allows obtaining optimal properties, in equal consistency. But, higher quantities of fillers do not deteriorate significantly the properties of the concretes, even if their packing density decreases. One explains this behavior not only by the binding effect allotted to the fillers limestones, but also by an improvement of the paste-aggregates bond. Mixtures containing the strongest rates of fillers were again studied to formulate self compacting concretes SCC, which require a big quantity of fillers. Crushed sands bring then the major part of this constituent, what opens to them a new way of use

aus dem Inhalt: „Die im Teilprojekt Mark/Schnell des SPP 1542 erbrachten Entwicklungen an Parabolrinnen (siehe S. 536 ff . des vorliegenden Buches) haben gezeigt, wie aussichtsreich die Verwendung von Feinkornbetonen für die Herstellung hochpräziser, formstabiler Bauteile ist [1], [2]. Die gewonnenen Erkenntnisse und die Nachfrage aus der Solartechnik ermutigen zur Übertragung auf verwandte Anwendungsgebiete, nämlich auf Heliostate [3] unter der Leitidee einer weitgehend industrialisierten Präzisionsfertigung. Wegen der extrem hohen Wiederholungszahl gleicher oder sehr ähnlicher Fertigteile sind Heliostate für den Betonfertigteilbau auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in nahezu idealer Weise geeignet....” / from the content: „Recent developments on parabolic troughs (see p. 536 seq. of this book) in Mark/Schnell’s project of the SPP 1542 have shown that the use of finegrained concrete is a promising alternative for the manufacture of highly precise components with low deformations [1], [2]. Their findings and requests in solar technology have encouraged a transfer to related fields of application, namely to heliostats [3]. The guiding principle is broadly industrialized precision manufacturing. Due to an extremely high number of identical or utmost similar precast elements, heliostats seem to be ideally suited for precast concrete construction from an economic point of view....”

Le ciment est la principale source des impacts sur l’environnement de l’utilisation du matériau béton. Afin d’optimiser ce dernier d’un point de vue environnemental, il est nécessaire de réduire son dosage en ciment. Cela peut être entrepris en remplaçant une partie du ciment par des additions minérales lors de sa fabrication.Ces travaux de thèse visent à étudier les phénomènes physico-chimiques ayant lieu lors du processus de carbonatation de bétons à forts taux de remplacement du ciment par des additions minérales ainsi que leur résistance à ce type d’attaque.Une campagne expérimentale a été menée sur des bétons de référence préparés à base de ciments courants et sur des Écobétons préparés en substituant une partie du ciment par des cendres volantes ou du laitier de haut-fourneau. Les différentes études menées portent sur la durabilité des Écobétons vis-à-vis de la carbonatation, sur l’équivalence de performances des Écobétons avec celles des bétons de référence, et sur les paramètres de composition et de microstructure contrôlant la cinétique de carbonatation. La carbonatation a été étudiée en conditions accélérées et naturelles. Les résultats montrent que les Écobétons à forts taux de substitution du ciment par des cendres (50 %) ou du laitier (75 %) pourraient remplacer, dans certains cas, les bétons conformes à la norme en vigueur.En complément à l’étude expérimentale, des simulations numériques du couplage hydratation/séchage ont été menées en vue de déterminer l’effet du séchage sur les propriétés contrôlant la cinétique de carbonatation accélérée des bétons étudiés (la porosité, la quantité de Portlandite et le degré de saturation en eau liquide). Les résultats montrent que la cinétique de séchage augmente avec le taux de substitution du ciment par des additions. Ils remettent aussi en cause la pertinence du préconditionnement des échantillons lors de l’essai de carbonatation accélérée mené selon la norme française XP P 18-458 actuellement en vigueur. / Cement is the main source of environmental impacts of concrete use. It is thus recognized that the most pragmatic solution for minimizing environmental impacts of concrete is the reduction of the cement content. This could be achieved by replacing a part of cement by mineral additions such as fly ash or blast-furnace slag during concrete mixing.The present work aims at studying the physico-chemical phenomena occurring during the process of carbonation of concrete mixtures with high substitution rates of cement by mineral additions and their resistance against this type of attack.An experimental campaign was conducted on reference concrete mixtures prepared with common cements and on other concrete mixtures, called “Écobétons” (Green concretes), prepared by replacing a part of cement by fly ash or blast-furnace slag. The study focused on the Écobétons durability, especially their resistance against carbonation, on the equivalence of Écobétons performances with the reference mixtures performances and on the composition and microstructure parameters controlling the kinetics of carbonation. Carbonation has been studied in natural and accelerated conditions. The results show that Écobétons mixtures with high substitution rates of cement by fly ash (50 %) and blast-furnace slag (75 %) could replace, in some cases, concretes that are in accordance with the current standard.In addition to the experimental study, numerical simulations of the coupling between hydration and drying were conducted in order to determine the effect of drying on the properties controlling the accelerated carbonation kinetics of the studied concrete mixtures (porosity, Portlandite content and water saturation degree). The results show that the kinetics of drying increases with the degree of substitution of cement by mineral additions. They also question the relevance of the preconditioning of the samples during accelerated carbonation test conducted according to the French standard XP P 18-458.

Les Bétons Fibrés Ultra Performants (BFUP) sont les matériaux cimentaires aux performances les plus exceptionnelles. Ils se distinguent par des résistances caractéristiques à 28 jours en compression et en traction supérieures respectivement à 150 MPa et 6 MPa. Dans une politique globale de gestion économique et d'impact écologique de l'entreprise Lagarrigue, l'utilisation de BFUP en substitution des bétons de classe de résistance ordinaire en préfabrication parait pertinente. Cependant, les formulations actuelles onéreuses et peu écologiques limitent leur utilisation et leur essor. Cette étude a pour but de proposer des formulations de BFUP industrialisables caractérisées par un meilleur bilan économique et écologique, et conformes aux exigences de la prénorme matériaux BFUP (PR NF P18-470). Suite à une première étude de formulation et d'optimisation, quatre compositions de BFUP ont été mises au point sans traitement thermique, trois à base de métakaolin et une de référence plus classique avec fumée de silice. Leur caractérisation à l'état frais et à l'état durci a ensuite été réalisée afin de dresser leurs cartes d'identité et de les situer de manière réglementaire selon la prénorme (PR NF P18-470). Les bétons formulés sont autoplaçants et thixotropes. Le caractère thixotrope pouvant causer une discontinuité de l'interface entre deux couches de béton lors du coulage, des recommandations vis-à-vis du phasage de fabrication et de bétonnage ont été proposées. A l'état durci, un BFUP avec métakaolin et celui équivalent avec fumée de silice atteignent des résistances en compression supérieures à 150 MPa permettant de les classer en BFUP-S utilisables pour les structures alors que les deux autres formules à base de métakaolin dépassant les 130 MPa sont classés en BFUP-Z non structuraux (PR NF P18-470). En traction, trois BFUP sont de classe T2, leurs résistances élastiques et de post-fissuration sont respectivement comprises entre 6,0 et 8,0 MPa, et entre 4,6 et 7,0 MPa, une dernière composition étant à la limite de classification avec une résistance élastique et post-fissuration de 5,9 et 4,0 MPa respectivement. Les valeurs limites de retrait et du coefficient de fluage de la prénorme (PR NF P18-470) sont respectées. L'étude de la microstructure a permis de conforter certaines hypothèses émises lors de la caractérisation mécanique, notamment le retrait et le fluage. L'étude des propriétés de transfert montre une durabilité potentielle très élevée. La dernière phase constitue un aboutissement de ce projet avec la première application industrielle, basée sur le dimensionnement selon la future norme de calcul BFUP (PR-NF P18-710), qui concerne la réalisation d'éléments préfabriqués d'un ouvrage. / Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concretes are cementitious materials of exceptional performances. They are characterized by a compressive and tensile strength over respectively 150 MPa and 6 MPa at 28 days. Within a global management of economic and the environmental impact of Lagarrigue company, the use of UHPFRC in substitution of ordinary concrete in precast elements seems relevant. However, expensive materials and environmental cost of current mix design restrict their use and development. This study aims at proposing UHPFRC mix designs which are characterized by better economic and environmental cost and respect criteria of the pre-standard UHPFRC materials (PR NF P18-470). Firstly, an optimization study of UHPFRC mix design has been established, four mixtures have been developed without heat treatment application, three of them based on metakaolin and one with silica fume as a reference mixture. Secondly, the characterization of fresh and hardened state was conducted in order to establish their identity cards and confront them to the criteria of (PR NF P18-470. In the fresh state, all concretes studied are self-compacting concretes and present thixotropic character. The thixotropic character may cause a discontinuity of the interface between two layers of concrete during casting, recommendations of manufacturing and casting process have been proposed. In the hardened state, one UHPFRC with metakaolin and another one with silica fume reached compressive strengths over 150 MPa, they could be classified as UHPFRC-S and could be used for structures designs while the two other mixtures based on metakaolin exceeded 130 MPa were classified as non-structural UHPFRC-Z (PR NF P18-470). For tensile behavior, three UHPFRC are classed T2, their elastic and post-cracking strengths are between 6.0 and 8.0 MPa, and between 4.6 and 7.0 MPa respectively, while the last mixture is in the classification limit with elastic and post-cracking strengths of 5.9 and 4.0 MPa respectively. The limit values of shrinkage and creep coefficient recommended (PR NF P18-470) were satisfying. The microstructure evaluation allowed strengthening certain assumptions made in the mechanical characterization, including shrinkage and creep. The durability characterization showed very high potential sustainability materials. The last part is an outcome of this research project with the first industrial application, based on the structural design of the UHPFRC future standard (PR NF-P18-710) which concerns the realization of precast elements of a structure.

Geopolymers are a relatively new class of materials that have many broad applications, including use as substitute for ordinary Portland cement (OPC), use in soil stabilisation, fire resistant panels, refractory cements, and inorganic adhesives. Geopolymers are an alternative binder to Portland cement in the manufacture of mortars and concrete, as its three-dimensional alumino silicate network develops excellent strength properties. Use of geopolymers in place of ordinary Portland cement is also favoured owing to the possible energy and carbon dioxide savings. Geopolymer is typically synthesized by alkali activation of pozzolanas at moderate temperatures (< 1000C). The focus of the thesis is synthesis and characterization of geopolymers as construction materials. In this context, the role of compositional factors, such as, pozzolana type (fly ash, kaolinite, metakaolinite, ground granulated blast furnace slag, red soil), alkali (sodium hydroxide is used in this study) activator concentration, Si/Al (Si= silicon, Al = aluminium) ratio of the pozzolana and environmental factors, namely, curing period and temperature are examined. Besides synthesizing geopolymers that could be an alternate to concrete as construction material, sand-sized aggregates were synthesized using geopolymer reactions. This was done as river sand is becoming scarcer commodity for use as construction material. Several compositional and environmental factors were varied in geopolymer synthesis in order to identify the optimum synthesis conditions that yield geopolymers with maximum compressive strength. Besides varying external (compositional and environmental) factors, the role of internal microstructure in influencing the compressive strength of the geopolymer was examined. Micro-structure examinations were made using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and mercury intrusion porosimetry (MIP) studies. The studies on compositional and environmental factors in geopolymer synthesis brought out several interesting results. The results firstly brought out that amongst the pozzolanas studied, ASTM class F fly ash is most suited for maximum compressive strength mobilization upon geopolymer reactions. Moderate temperature (75-1000C) was adequate to mobilize large compressive strengths. Room temperature curing needed more than 7 days before the pozzolana-NaOH paste began to develop strength. Curing period of 56 days was needed for the geopolymer to develop significant strength (19.6MPa). A similar range of compressive strength could be developed by the pozzolana-NaOH paste upon curing for 3 days at 1000C. Likewise curing the pozzolana-NaOH paste at temperatures > 1000C led to reduction in compressive strength from shrinkage and breakage of bonds. A caustic soda (NaOH) concentration of 10 M was adequate to develop maximum compressive strength of the geopolymer. Caustic soda concentrations in excess of 10 M did not result in further improvement of strength. The Si/Al ratio also contributes to strength mobilization. The Si/Al ratio of the geopolymer was enhanced by mixing commercially obtained silica gel with the pozzolana. Maximum strength mobilization was observed at Si/Al ratio = 2.45 corresponding to 6.5 % silica gel addition to the pozzolana (on dry mass basis). Comparing compressive strengths of geopolymers with varying silica gel contents, geopolymer specimens with least water content and largest dry density did not exhibit maximum compressive strength indicating that the physico-chemical (bond strength, micro-structure) played a pivotal role than physical parameters (dry density, water content) in dictating the strength of the geopolymer. MIP results showed that bulk of the porosity in fly ash geopolymer specimens is contributed by macro pores and air voids. Geopolymerization leads to bulk consumption of cenospheres in fly ash and forms polymerized matrix with network of large pores. After geopolymerization, all the main characteristic peaks of Al–Si minerals observed in fly ash persisted, suggesting that no new major crystalline phases were formed. Presence of small amount of inorganic contaminants in fly ash can drastically reduce the strength of the fly ash geopolymer. For example, 5-20 % presence of red soil reduces the strength of fly ash geopolymer by 16 to 59 %. Presence of unreacted clay coupled with less porous structure is responsible for the reduction in compressive strength of fly ash geopolymer subjected to red soil addition. MIP studies with geopolymers also revealed that there is good bearing between compressive strengths and maximum intruded volume (from MIP test) of geopolymers. For example, fly ash geopolymer specimen exhibits highest total intruded volume (0.3908 cc/g) and largest compressive strength of 29.5 MPa, while red soil geopolymer specimen exhibit least intruded volume (0.0416 cc/g) and lowest compressive strength (5.4 MPa). Further, analysis showed that specimens with larger airvoids+macropores volume had larger compressive strength, suggesting that geopolymers with more porous microstructure develop larger compressive strength. All geopolymer specimens exhibited tri-modal nature of pores i.e. macro-pore mode (entrance pore radius: 25-5000 nm), mesopore mode (entrance pore radius: 1.25 to 25 nm) and air void mode (entrance pore radius >5000 nm). The micro pores (entrance pore radius < 1.25 nm) do not contribute to porosity of the geopolymer specimens. Sand particles prepared from geopolymer reactions (FAPS or fly ash geopolymer sand) predominated in medium sized (2mm to 0.425 mm) sand particles. Their particle size distribution characteristics (uniformity coefficient and coefficient of curvature) classified them as poorly graded sand (SP). Dissolution, followed by polymerization reactions led to dense packing of the Si–O–Al–O– units that imparted specific gravity of 2.59 to FAPS particles which is comparable to that of river sand (2.61). Dissolution in strongly alkaline medium imparted strongly alkaline pH (12.5) to the FAPS particles. The river sand is characterized by much lower pH (7.9). Despite being characterized by rounded grains, the FAPS particles mobilized relatively high friction angle of (35.5o) than river sand (∅ = 28.9o). The river sand-mortar (RS-M) and fly ash geopolymer sand-mortar (FAPS-M) specimens developed similar 28-day compressive strengths, 11.6 to 12.2 MPa. Despite its higher water content, FAPS-mortar specimens developed similar compressive strength and initial tangent modulus (ITM) as river sand-mortar specimens. The FAPS-M specimen is more porous (larger intruded volume) with presence of larger fraction of coarser pores. Total porosity is majorly contributed by macro-pores (67.92%) in FAPS-M specimen in comparison to RS-M specimen (macro-pores = 33.1%). Mortar specimens prepared from FAPS and river sand exhibit similar pH of 12.36 and 12.4 respectively. FAPS-mortar specimens have lower TDS (1545 mg/L) than river sand-mortar specimens (TDS = 1889 mg/L). The RS-M and FAPS-M specimens exhibit leachable sodium levels of 0.001 g Na/g RS-M and 0.007 g Na/g-FAPS-M respectively in the water leach tests. The larger leachable sodium of FAPS-M specimen is attributed to residual sodium hydroxide persisting in the FAPS even after washing. The ultra-accelerated mortar bar test (UAMBT) shows that the percentage expansion of FAPS-M and RS-M specimens are comparable and range between 0.07 to 0.08 %.

Constitués de plusieurs composants (granulats naturels et pâte de ciment adhérente), les GBR ne sont à l’heure actuelle pas utilisés largement dans la formulation de nouveaux bétons. Les propriétés médiocres des GBR compliquent considérablement la détermination de la quantité d’eau efficace dans le béton frais. Tout d’abord, une étude bibliographique va mettre en évidence la grande dispersion des résultats des essais de caractérisation des GBR et des propriétés des bétons recyclés à l’état frais et durci. Ensuite, une étude vise à analyser l’hétérogénéité des GBR et des granulats de béton concassé (GBC) par rapport à différents paramètres : aux impuretés granulaires, à la densité et à la teneur en pâte de ciment, au malaxage du béton parent, et au niveau de la capacité d’absorption d’eau des GBC en fonction de leur état de pré-humidification. Enfin, une dernière partie est destinée à améliorer la maîtrise de l’eau efficace réelle dans la fabrication du béton recyclé. La cinétique d’absorption des GBC dans une pâte de ciment est tout d’abord étudiée. Ensuite, l’évolution de l’eau efficace durant le malaxage de bétons à base de GBC est investiguée au moyen d’une méthode originale basée sur le suivi des courbes de puissance du malaxeur. Finalement, l’effet d’un malaxage sous vide relatif sur les propriétés des bétons à base de granulats naturels et des bétons à base de GBC est étudié. / Composed of several components (natural aggregates and adherent cement paste), RCA are not widely recommended in new concrete formulations. Their poor properties considerably complicate the determination of the effective water in fresh concrete. In a first part, a bibliographic study will highlight the wide dispersion of the results of characterization tests of RCA and the properties of fresh and hardened recycled concrete. In a second part, the heterogeneity of RCA and crushed concrete aggregates (CCA) is studied according to different parameters: granular impurities, density, cement paste content, mixing of parent concrete, and water absorption capacity according to their pre-humidification. The third part consists of three experimental studies that intend to improve effective water control in the manufacture of recycled concrete. The absorption kinetics of CCA in a cement paste is first studied. Then, the evolution of effective water in fresh concrete during mixing is studied using an original method based on the power evolution of the mixer. Finally, the effect of vacuum mixing on the properties of ordinary and recycled concretes is investigated.

Angetrieben von vielversprechenden Effizienzsteigerungen wird der Beton-3D-Druck stetig weiterentwickelt. Um die gewonnenen Erkenntnisse niederschwellig in die Baupraxis zu überführen, empfehlen sich druckbare Betone im Rahmen des geltenden Regelwerks. Dabei stellt die Limitierung des Mehlkorngehalts eine Herausforderung dar. Um diese zu meistern, wird eine verallgemeinerbare, numerisch unterstützte Anwendung der Korngrößenverteilung nach Andreasen und Andersen als Basis für den Betonentwurf vorgeschlagen. Experimentelle Untersuchungen haben eine gute Verbaubarkeit und hinreichende Extrudierbarkeit eines Betons mit einem 16 mm Größtkorn und einem Mehlkorngehalt von 500 kg/m³ demonstriert.

This dissertation deals with the study of electric and dielectric properties of composite structures on the base of alkali-activated aluminosilicates with admixtures of various carbon particles. These materials fabricated from alkali-activated blast furnace slag, quarz sand, natrium water glass as alkali activator, water, dispersant and small amount of carbon admixture (carbon black, graphite powder, carbon fibers or carbon nanotubes) to increase electric conductivity may be used for example to construction of snow-melting, deicing and self-monitoring systems. Their current-voltage characteristics and impedance spectra were used for determination of electric and dielectric properties of these structures. The equivalent circuits were used for evaluation of impedance spectra. The results were correlated with thermal properties of these structures.

In diesem Beitrag wird ein Vergleich zwischen indirekten Testmethoden zur Bewertung der Verbaubarkeit von 3D-gedruckten Mörteln und Betonen vorgestellt. Die Untersuchungen erfolgten an extrudierten Proben von acht zementbasierten Mischungen mit unterschiedlichem rheologischen Verhalten. Auf der Basis der erzielten Ergebnisse werden Vorhersagen zum Material- bzw. Stabilitätsversagen getroffen und mit den Ergebnissen des Direktdruckversuchs verglichen. Anschließend werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Prüfmethoden diskutiert. Zu diesen zählen die Techniken der Rotationsrheometrie mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit (engl.: constant rotational velocity, CRV), ein schneller Penetrationstest sowie einaxiale Druckversuche mit und ohne Querdehnungsbehinderung.