Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans la cellule des organismes vivants, le solvant (l'eau) joue un rôle très important dans la stabilisation des structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques et lors de leurs interactions. Les méthodes théoriques de simulations de modélisation moléculaire permettent de compléter les informations partielles sur l'hydratation des biomolécules obtenues par les méthodes expérimentales. Nous avons développé un nouveau modèle de solvatation semi-implicite pour représenter le solvant en modélisation moléculaire. Ce modèle décrit le solvant comme des particules microscopiques dont les propriétés diélectriques découlent des lois macroscopiques de l'électrostatique. Nous obtenons ainsi à l'équilibre électrostatique un fluide de particules de Lennard-Jones non polaires, polarisables par le champ électrique créé par le soluté. Ce modèle a l'intérêt de prendre en compte la structure moléculaire du solvant tout en calculant efficacement l'énergie libre électrostatique de solvatation du système. De plus, il est d'un faible coût numérique comparé aux méthodes explicites. Après avoir implémenté notre modèle dans un programme de dynamique moléculaire et l'avoir paramétré de façon simple, nous l'avons appliqué à plusieurs peptides, protéines et acides nucléiques (ADN et ARN de transfert). Les trajectoires de ces simulations sont stables sur une à deux nanosecondes, et les structures obtenues sont tout à fait en accord avec les méthodes expérimentales et les méthodes théoriques de solvatation explicites. Notre modèle permet également de retrouver les sites préférentiels d'hydratation des molécules étudiées identifiés expérimentalement ou théoriquement, malgré l'absence de liaisons hydrogène dans notre solvant. De plus, nous observons de bonnes corrélations entre les énergies libres électrostatiques de solvatation calculées avec notre modèle et celles calculées avec les méthodes de résolution de l'équation de Poisson-Boltzmann, et ces résultats paraissent très encourageants.

Dans cette thèse nous proposons une stratégie de modélisation intégrée, basée sur des approches quantiques d'analyse et des approches classiques de simulations de dynamique moléculaire pour l'étude de complexes d'éléments-f. Dans une première partie, nous introduisons les différentes méthodes de chimie quantique adaptées à l'étude des éléments-f et les utilisons pour le calcul de géométrie et d'énergie d'interaction de systèmes [M-(OH2)]m+. Nous utilisons ensuite des techniques d'analyse de décomposition de l'énergie d'interaction afin de quantifier la nature physique de l'interaction métal-ligand en fonction des différentes contributions énergétiques. Ces contributions seront utilisées pour la paramétrisation des champs de forces polarisables AMOEBA et SIBFA. Dans un deuxième temps, nous établirons des courbes de dissociation diabatique de référence qui seront utilisées pour la paramétrisation du champ de forces AMOEBA. Nous proposons ensuite un protocole de validation des paramètres en trois étapes ainsi qu'une première application qui est le calcul de l'énergie libre d'hydratation de Gibbs des cations d'éléments-f. Nous apportons de plus une extension du potentiel SIBFA à des cations trivalents et tétravalents lanthanides et actinides. Enfin dans une dernière partie, nous utilisons des outils d'analyse topologique de la liaison chimique covalente (ELF) et non covalente (NCI) afin d'investiguer la nature des interactions en jeu, d'une part dans des systèmes modèles et d'autre part sur un complexe réel de Gadolinium(III). Le but de cette thèse est de développer et d'employer différentes approches théoriques afin de pouvoir discriminer entre eux les différents cations

Algues et champignons ont formés par association symbiotique les lichens qui, de par leur amplitude écologique, ont pu coloniser tous les milieux. Nous proposons d'appeler " hydrophiles ", les lichens soumis à des périodes d'immersion par les eaux d'un cours d'eau Les compositions floristiques des communautés lichéniques hydrophiles ont été définies par leur durée annuelle d'immersion. Les groupements subhydrophiles sont immergés pendant moins de trois mois, les groupements mésohydrophiles pendant plus de trois mois et moins dix mois et enfin les groupements hyperhydrophiles sont immergés plus de dix mois de l'année. Sur la base de trois cent relevés effectués par la méthode de prélèvement intégral, un schéma phytosociologique a été construit. Les lichens présents aux différents niveaux de noyage et d'altitude des cours d'eau forment une classe au sein de laquelle sont identifiés les trois ordres phytosociologiques caractérisés par la durée annuelle d'immersion. Dans chacun de ces ordres, deux alliances sont définies par l'étage bioclimatique. Pour chacune de ces six alliances, des associations de plusieurs lichens existent et sont définies par leurs caractéristiques biotiques. Du fait de leur fréquence dans un niveau d'immersion et de l'importance de leur recouvrement, quatre lichens " modèles " ont été retenus (une espèce aérienne et trois hydrophyles). Pour la première fois concernant des lichens hydrophiles, les flux de CO2 et d'O2 ont été quantifiés sous différents éclairements, en milieux aquatique et aérien. Les pigments photosynthétiques ainsi que l'ergostérol ont été estimés ; la réponse du potentiel photochimique ( PSII) au taux d'hydratation a été caractérisée. L'activité photosynthétique et respiratoire des lichens hydrophiles est comparable à celle de la littérature pour les lichens aériens. Les lichens hydrophiles démontrent des cinétiques rapides d'hydratation-déshydratation lors des transitions immersion-exondation.  PSII s'avère très sensible à ces transitions. Pour toutes les fonctions étudiées, des différences significatives apparaissent entre les lichens hyper et subhydrophile alors que les lichens mesohydrophiles se comportent de façon intermédiaire. Nos résultats constituent la première caractérisation écologique et fonctionnelle des lichens hydrophiles. Ils pourront certainement être exploités et développés pour permettre une meilleure compréhension du rôle des lichens dans la colonisation des terres émergées par les phanérogames.

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

Abstract : Wastepaper sludge ash (WSA) is generated by a cogeneration station by burning wastepaper sludge. It mainly consists of amorphous aluminosilicate phase, anhydrite, gehlenite, calcite, lime, C2S, C3A, quartz, anorthite, traces of mayenite. Because of its free lime content (~10%), WSA suspension has a high pH (13). Previous researchers have found that the WSA composition has poor robustness and the variations lead to some unsoundness for Portland cement (PC) blended WSA concrete. This thesis focused on the use of WSA in different types of concrete mixes to avoid the deleterious effect of the expansion due to the WSA hydration. As a result, WSA were used in making alkali-activated materials (AAMs) as a precursor source and as a potential activator in consideration of its amorphous content and the high alkaline nature. Moreover, the autogenous shrinkage behavior of PC concrete at low w/b ratio was used in order to compensate the expansion effect due to WSA. The concrete properties as well as the volume change were investigated for the modified WSA blended concrete. The reaction mechanism and microstructure of newly formed binder were evaluated by X-ray diffraction (XRD), calorimetry, thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). When WSA was used as precursor, the results showed incompatible reaction between WSA and alkaline solution. The mixtures were not workable and provided very low compressive strength no matter what kinds of chemical activators were used. This was due to the metallic aluminum in WSA, which releases abundant hydrogen gas when WSA reacts with strong alkaline solution. Besides, the results of this thesis showed that WSA can activate the glassy phase contained in slag, glass powder (GP) and class F fly ash (FFA) with an optimum blended ratio of 50:50. The WSA/slag (mass ratio of 50:50) mortar (w/b of 0.47) attained 46 MPa at 28 days without heat curing assistance. A significant fast setting was noticed for the WSA-activated binder due to the C3A phase, free lime and metallic aluminum contained in the WSA. Adding 5% of gypsum can delay the fast setting, but this greatly increased the potential risk of intern sulfate attack. The XRD, TGA and calorimetry analyses demonstrated the formation of ettringite, C-S-H, portlandite, hydrogarnet and calcium carboaluminate in the hydrated binder. The mechanical performance of different binder was closely related to the microstructure of corresponding binder which was proved by the SEM observation. The hydrated WSA/slag and WSA/FFA binder formed a C-A-S-H type of gel with lower Ca/Si ratio (0.47~1.6). A hybrid gel (i.e. C-N-A-S-H) was observed for the WSA/GP binder with a very low Ca/Si ratio (0.26) and Na/Si ratio (0.03). The SEM/EDX analyses displayed the formation of expansive gel (ettringite and thaumasite) in the gypsum added WSA/slag concrete. The gradual emission of hydrogen gas due to the reaction of WSA with alkaline environment significantly increased the porosity and degraded the microstructure of hydrated matrix after the setting. In the last phase of this research WSA-PC blended binder was tailored to form a high autogenous shrinkage concrete in order to compensate the initial expansion. Different binders were proportioned with PC, WSA, silica fume or slag. The microstructure and mechanical properties of concrete can be improved by decreasing w/b ratios and by incorporating silica fume or slag. The 28-day compressive strength of WSA-blended concrete was above 22 MPa and reached 45 MPa when silica fume was added. The PC concrete incorporating silica fume or slag tended to develop higher autogenous shrinkage at low w/b ratios, and thus the ternary binder with the addition of WSA inhibited the long term shrinkage due to the initial expansion property to WSA. In the restrained shrinkage test, the concrete ring incorporating the ternary binder (PC/WSA/slag) revealed negligible potential to cracking up to 96 days as a result of the offset effect by WSA expansion. The WSA blended regular concrete could be produced for potential applications with reduced expansion, good mechanical property and lower permeability. / Résumé : Les cendres de boues de désencrage (CBD) sont générées par une centrale de cogénération par combustion boues de désencrage. Ils se composent principalement de phase amorphe d'aluminosilicate, anhydrite, gehlenite, calcite, chaux, C2S, C3A, quartz, anorthite, des traces de mayénite. En raison de leur teneur en chaux libre (~ 10%), CBD ont un pH élevé (13). Les chercheurs précédents ont montré que la composition des CDB a une mauvaise robustesse et les variations conduisent à une certaine inconsistance pour le béton avec un mélange de ciment Portland (CP) et des CBD. Cette thèse a porté sur l'utilisation des CBD dans différents types de mélanges de béton pour éviter l'effet délétère de l'expansion due à l'hydratation des CBD. Par conséquent, les CBD ont été utilisées dans la fabrication des matériaux à activation alcaline (MAA), en tant que source précurseur et comme activateur potentiel en tenant compte de sa teneur en matière amorphe et la nature très alcaline des CBD. De plus, le retrait endogène du béton avec CP à faible rapport E/L a été utilisé afin de compenser l'effet d'expansion en raison des CBD. Les propriétés du béton ainsi que le changement de volume ont été étudiés pour le béton mélangé avec des CBD modifiés. Le mécanisme réactionnel et la microstructure du liant nouvellement formé a été évaluée par la diffraction aux rayons X diffraction (DRX), calorimétrie, l'analyse thermogravimétrique (ATG), microscopie électronique à balayage (MEB) et spectroscopie à dispersion d'énergie aux rayons X (DEX). Quand les CBD ont été utilisés comme précurseur, les résultats ont montré des réactions incompatibles entre CBD et une solution alcaline. Les mélanges ne sont pas maniables et donnent de très faibles résistances en compression, peu importe le type d'activateurs chimiques utilisés. Cela est dû à l'aluminium métallique dans les CBD, qui permet de libérer de l'hydrogène gazeux en abondance quand les CBD réagissent avec une solution alcaline forte. D'ailleurs, les résultats de ces recherches ont montré que les CBD peuvent activer la phase amorphe contenue dans le laitier, poudre de verre (PV) et les cendres volantes de classe F (CVF) avec un rapport de mélange optimal de 50:50. Un mortier avec un rapport massique 50:50 de CBD et de laitier (E/L de 0,47) atteint 46 MPa à 28 jours sans l’aide d’un murissement à chaud. Une prise rapide significative a été notée pour le liant CBD activé en raison de la phase C3A, chaux libre et l’aluminium métallique impliqué dans les CBD. L’ajout de 5% de gypse peut retarder la prise rapide, mais augmente grandement le risque potentiel de l’attaque au sulfate interne. Le DRX, ATG et l’analyse calorimétrique ont démontré la formation d'ettringite, C-S-H, la portlandite, hydrogrenat et carboaluminate de calcium dans le liant hydraté. Les différentes performances mécaniques du liant ont été étroitement liées à la microstructure correspondante qui a été prouvée par le MEB. Les liants hydratés CBD/laitier et CBD/CVF ont formé un type de gel C-A-S-H avec un faible rapport Ca/Si (0,47 ~ 1,6). On a observé un gel hybride (à savoir C-N-A-S-H) pour le liant CBD/PV avec un des très faibles rapports Ca/Si (0,26) et Na/Si (0,03). Les analyses MEB/DRX ont montré une formation de gel expansive (d’ettringite et de thaumasite) dans le gypse ajouté au béton avec les CBD et le laitier. L'émission progressive de l'hydrogène gazeux en raison de la réaction des CBD dans un environnement alcaline a augmenté la porosité et la dégradation de la microstructure de matrice hydratée après la prise. Dans la dernière phase de cette recherche, le liant avec un mélange de CBD et de CP a été développé pour former un retrait autogène élevé, afin de compenser l'expansion initiale. Différents liants ont été préparés avec le CP, CBD, la fumée de silice ou du laitier. La microstructure et les propriétés mécaniques du béton peuvent être améliorées en diminuant les rapports E/L et en incorporant la fumée de silice ou du laitier. La résistance en compression à 28 jours du béton aux CBD était supérieure à 22 MPa et atteint 45MPa lorsqu'on a ajouté de la fumée de silice. Le béton avec du CP incorporant de la fumée de silice ou du laitier ont tendance à développer un retrait endogène plus élevée à de faibles rapports E/L, et donc le liant ternaire avec l'ajout des CBD réduit le retrait à long terme en raison de la propriété d’expansion initiale des CBD. Dans l'essai de retrait empêché, l'anneau en béton incorporant le liant ternaire (CP/CBD/laitier) a révélé un potentiel négligeable à la fissuration jusqu'à 96 jours en raison de l'effet de décalage de l'expansion des CBD. Des liants modifiés avec des CBD peuvent être utilisés dans des mélanges de béton ordinaire pour des applications potentielles avec des expansions réduites, des bonnes propriétés mécaniques et une faible perméabilité.

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.

Les smectites possèdent des propriétés qui en font des candidates potentielles pour constituer une des barrières pour le stockage des déchets radioactifs en milieu géologique profond : faible perméabilité, gonflement et rétention de cations. Le cœur de cette thèse est la détermination des liens existant entre les propriétés d'hydratation, de gonflement et de<br />mobilité des cations, c'est-à-dire les propriétés de confinement du matériau.<br />L'objectif est de comprendre et prédire le comportement de l'eau dans les smectites en suivant deux axes de recherche : les aspects mécanistique et énergétique de l'hydratation des smectites. Nous avons travaillé sur la montmorillonite Na-Ca contenue dans la bentonite MX80, sous forme échangée, et monoionique (saturée par des cations alcalins ou des cations Ca).<br />L'approche traverse les différentes échelles (microscopique, mésoscopique et macroscopique)<br />et conduit à étudier les différentes composantes du système (feuillet-cation-eau), en mettant en œuvre des méthodes expérimentales de manière originale (thermoporométrie et conductivité électrique pour différentes humidités relatives (HR)) et des méthodes théoriques (calculs électrostatiques).<br />En premier lieu, l'état sec est défini par ATVC (Analyse Thermique à Vitesse Contrôlée). Ensuite une caractérisation classique de la porosité de la smectite pour l'état sec est réalisée (intrusion de mercure, adsorption d'azote) et nous permet de montrer l'existence d'une mésoporosité dont le rayon évolue entre 2 et 10 nm en fonction du cation compensateur.<br />Les expériences de thermoporométrie et de conductivité pour différents états d'hydratation<br />ont permis de suivre l'augmentation des tailles de pore et de la mobilité des cations en fonction de l'hydratation. Nous mettons notamment en évidence l'existence d'un gonflement osmotique mésoscopique pour de faibles humidités relatives (environ 50-60% HR) pour les cations Li et Na. En combinant les résultats de thermoporométrie, diffraction des Rayons X et conductivité électrique, nous sommes en mesure de proposer une séquence d'hydratation complète pour chaque cation, montrant ainsi le rôle du cation compensateur dans l'hydratation de la smectite : il est responsable de la structure de la porosité à l'état sec et de l'évolution des tailles de pore en fonction de la HR et il modifie la séquence d'hydratation par sa mobilité dans l'espace interfoliaire.<br />La distinction des différents types d'eau présents dans la structure argileuse est réalisée par thermoporométrie à différentes humidités relatives : eau liée aux cations et aux surfaces, eau structurée par la porosité et eau libre. Cette distinction est importante pour comprendre le comportement de l'argile et notamment les propriétés de diffusion. <br />L'importance de la nature du cation est également mise en évidence par le modèle énergétique. Les calculs électrostatiques utilisant le formalisme PACHA (Méthode d'Egalisation des Electronégativités) montrent que, pour les petits cations, l'énergie<br />d'hydratation du cation dans la structure argileuse est prépondérante, alors que pour les gros cations, c'est l'énergie d'hydratation des feuillets qui est prépondérante. Pour obtenir ces résultats, nous avons déterminé les enthalpies de surface pour l'état sec, qui montrent une évolution cohérente, en fonction de la charge partielle du cation, avec l'augmentation de taille de pores et donc de taille de particules. Ensuite, au moyen d'un modèle théorique, nous avons<br />calculé les énergies de gonflement, les énergies d'hydratation des surfaces et des cations se trouvant dans l'espace interfoliaire.<br />Le comportement de l'argile purifiée mixte (Na/Ca) est analysé à partir des résultats obtenus pour les composés homoioniques : l'argile mixte a un comportement plus proche de celui d'une argile calcique pour les expériences réalisées, alors que le cation Na est majoritaire. Cette observation implique des résultats sur les propriétés de l'argile différents de ceux escomptés pour les propriétés d'hydratation, de gonflement et de mobilité des cations interfoliaires dans le cadre des déchets radioactifs.

Nous présentons une étude détaillée, non-perturbante, de la prise du plâtre par Relaxation Magnétique Nucléaire (RMN) du proton, à bas champ magnétique. Cette technique permet de quantifier en continu le degré d'hydratation et de déduire de manière non-destructive les paramètres microstructuraux d'une pâte de plâtre en cours de durcissement. La décroissance bi-exponentielle des signaux de relaxation de l'eau dans le plâtre prouve l'existence de deux populations d'eau différentes, en échange lent. A partir des mesures de relaxométrie RMN, deux modes d'organisation de la microstructure sont identifiés en fonction du rapport de gâchage initial eau/plâtre (e/p), pour 0.4 <= e/p <= 0.6 et 0.7 <= e/p <= 1. Un modèle original d'échange entre les populations d'eau dans un milieu poreux a été établi. Une nouvelle approche multi-échelles et multi-techniques de la prise et du durcissement des pâtes de plâtre est proposée, permettant de relier les mesures locales obtenues par RMN aux propriétés mécaniques du matériau (mesurées par ultrasons). La démarche expérimentale et la modélisation présentées dans cette étude peuvent être appliquées à une large gamme de matériaux poreux en évolution.

L'industrie nucléaire est une industrie génératrice de déchets, dont certains sont radioactifs. Ces déchets radioactifs ont des formes et des origines diverses, allant de la paire de gant de manutention faiblement contaminés, à la suspension aqueuse de produits de fissions hautement radioactifs. Dans ce travail, un type de déchet bien particulier a été étudié ; des boues issues de la décontamination d'effluents liquides radioactifs, possédant entre autres les trois particularités suivantes ; * Etre moyennement radioactif, selon les critères de l'ANDRA. * Etre composé d'une forte teneur en eau de constitution (ne pouvant être retirée par simple évaporation) ; * Etre composé d'un sorbant (PPFeNi) dont la stabilité chimique n'est pas assurée pour un pH supérieur à 11. Ces particularités font qu'un enrobage dans une matrice minérale forte consommatrice d'eau, et bas-pH (pH < 11) est envisageable. Le choix c'est alors porté sur le développement d'une matrice ettringitique réalisée à partir d'un mélange de Ciment d'Aluminate de Calcium (CAC) et de sulfate de calcium. Dans un premier temps, la stabilité du sorbant du césium utilisé dans cette étude a été testée dans différents environnements de pH (2 à 14) et de température. Pour cela des analyses chimiques de solution ainsi que des caractérisations du composé par diffraction de rayons X, FTIR et microscopie électronique à balayage-EDS ont permis de fixer les bornes de stabilité que la formulation ettringitique doit avoir. Puis une étude microstructurale (nature et morphologie des produits) de mélanges ettringitiques binaires CAC/sulfate de calcium type hémihydrate et/ou anhydrite a été effectuée afin de caractériser la stabilité de l'ettringite, hydrate fort consommateur d'eau. Les propriétés bas-pH ont été vérifiées notamment par analyse chimique de solutions porales. Certaines limites de ces systèmes concernant le dégagement de chaleur et la possible formation de systèmes expansifs ont été mises en évidence. L'effet de l'augmentation du rapport eau/liant, responsable d'un effet de dilution et permettant de réduire les deux effets précédents, a été également regardé pour ces systèmes binaires. Afin de réduire la chaleur dégagée à court terme tout en permettant le développement de l'hydratation à long terme de systèmes ettringitiques, ces systèmes binaires ont été substitués par des additions minérales à hydraulicité latente type laitier de haut fourneau. Une étude microstructurale de la réactivité du laitier et de la modification de l'assemblage ettringitique a montré une réactivité modérée de ce dernier à jeune âge conformément aux attentes. Pour favoriser sa réactivité à long terme par activation alcaline/sulfatique différentes proportions de sulfate de calcium à dissolution plus lente ont été testés. Les caractéristiques microstructurales de ces systèmes ternaires en présence de différentes teneurs en eau intrinsèquement liée à la nature de type boue du déchet a été étudiée. Enfin, les différentes informations sur l'effet des paramètres de formulation obtenues ont débouché sur la mise en place de tests sur des formulations contenant un déchet simulé inerte et enrichi en chlorures. Des essais systématiques de fluidité, de résistances mécaniques et pour certains d'entre eux d'expansion et de dégagement de chaleur doivent permettre d'identifier une série de mélanges adaptés au test à l'échelle de prototype industriel pour la cimentation de boues. / Nuclear industry generated waste including radioactive wastes, which have different forms and origins. The wastes produced by reprocessing of nuclear fuel are characterized by important water content, by high pH and temperature sensitivity. The cementation in ettringite systems might be a promising solution to solidify radioactive wastes. Mixtures of Calcium Aluminate Cement (CAC) and calcium sulfate are planned to be used, instead of Ordinary Portland Cement (OPC), to form a significant amount of ettringite able to catch water molecules when forming. Moreover, due to the low pH of CAC-based matrices, the latter have a good compatibility with the compounds used to stabilize active elements. Initially, the stability of the sorbent of cesium used in this study was tested in different pH environments (2 to 14) and temperature. Chemical analysis and different microstructural characterizations like X-ray diffraction, FTIR and SEM-EDS have allowed to set stability limits of ettringite systems. Then microstructural study on binary systems composed by mixture of CAC/calcium sulfate (hemihydrate and/or anhydrite) was realized to characterize ettringite stability during the time of hydration. Low pH properties were checked by chemical pore solutions analysis. However, the heat generated by hydration and the possible formation of expansive systems require an increase of e/s ratio and additional components like Ground Granulated Furnace Slag (GGBS). These two parameters were studied subsequently. Microstructural study of GGBS reactivity and the modification of ettringite assemblage were showed that GGBS act as filler at early time of hydration. To promote the GGBS reactivity at long term of hydration by alkaline and sulfate activation, different nature of calcium sulfate was used. Then the microstructural characteristic of this ternary system in presence of different e/s ratio was studied. Finally, different information on the effect of formulation parameters obtained led to the development of tests on formulations containing an inert simulated waste and enriched in chlorides. Systematic tests of fluidity, mechanical strength and for some expansion and heat generation should identify a series of mixtures adapted to test prototype to industrial scale for cementing wastes.