L’écaillage de la surface du béton dû aux sels fondants est un phénomène dont les mécanismes sont relativement peu connus. Plusieurs publications et plusieurs recherches se sont penchées sur cette problématique de durabilité du béton. Encore aujourd’hui, aucune théorie prise individuellement ne permet d’expliquer entièrement les causes de ce phénomène et le rôle protecteur d’un bon réseau de bulle d’air sur les bétons qui sont dans des conditions à risque. À prime à bord, les tests sous leur forme actuelle, peuvent sembler moins bien adaptés lorsque l’utilisation de liant ternaire est préférée au liant avec seulement du ciment Portland. Cette recherche s'intéresse donc à valider la sévérité du test d’écaillage BNQ 2621-905 lorsqu’on utilise des liants ternaires. Ce projet se penche également sur l’effet du type et la durée de la cure, du type de superplastifiant utilisé, de la variation du L ̅ et de l’utilisation d’un granulat marginal sur les résistances à l’écaillage des bétons avec liant ternaire. Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet démontrent qu’il est possible d’avoir des résultats qui satisfont la norme d’écaillage BNQ 2621-905 avec des paramètres de formulations d’un béton de type V-S avec presque tous les liants ternaires utilisés. De plus, lorsque le réseau d’air est de bonne qualité (L ̅ < 230 µm) l’utilisation de superplastifiant PCP ou PNS ne semble pas d’avoir d’effet marqué. Le facteur d’espacement, actuellement prescrit dans la norme CSA A23.1, moyen inférieur à 230 µm avec aucune valeur dépassant 260 µm permet d’obtenir de bons résultats à l’écaillage en laboratoire pour le liant C. Finalement, l’utilisation d’un granulat marginal au micro-Deval peut avoir un effet sur la quantité de débris de surface d’un échantillon soumis au gel-dégel.

Des travaux de recherche effectuées sur le traitement des sédiments valorisés ont été entrepris depuis une dizaine d'années et ont fait l'objet de plusieurs publications comme relaté dans l'étude bibliographique présentée dans ce rapport. L'essentiel a porté sur la caractérisation physique, puis mécanique en fonction des dosages en ciments et additifs. Ainsi, les travaux de recherche entrepris dans cette thèse entre dans le cadre de la poursuite des recherches dans ce domaine. Elle définie les modalités d'étude, ayant pour objet la valorisation des sédiments de dragage du Port En Bessin en vue d'obtention d'un matériau final utilisable en techniques routières. Ainsi la première phase de l'étude consiste en une caractérisation des boues aussi bien dans leur composition que dans leur comportement aux contraintes mécaniques. Les caractéristiques mécaniques sont aussi étudiées dans la partie formulation. Une planche expérimentale en techniques routières a permis l'étude en conditions réelles d'utilisation du matériau. Des analyses sont réalisées pour étudier le relargage de certains polluants (métaux lourds, HAP...) et comparent les résultats avec les prévisions réalisées à partir des essais de lixiviation. D'autres paramètres concernant le comportement géotechnique du matériau ont été vérifiés et comparés aux prévisions attendues pour voir si l'ensemble des résultats obtenus ne montre pas de dérive par rapport aux prévisions. Le matériau peut être ainsi mis en oeuvre dans une troisième phase pour la réalisation finalement d'une plate forme routière sur site réel.

On présente ici deux types de modélisations, ainsi que de nombreuses données expérimentales, portant sur les déformations des bétons et en particulier celles des bétons à hautes performances. La première a pour but de prévoir les amplitudes des déformations instantanées, de retrait endogène et de fluage propre, en fonction de la formulation. On utilise pour cela une approche par homogénéisation, en adaptant le modèle bisphère de Hashin au calcul du module du béton. La démarche de modélisation, fondée sur la prise en compte de la compacité réelle du squelette granulaire, aboutit à une géométrie trisphère. On fait le choix, après l'avoir justifié, de fixer les coefficients de Poisson à un cinquième. Puis, on applique le modèle trisphère au calcul des amplitudes de fluage propre et de retrait endogène. Les paramètres principaux de formulation (rapports eau sur ciment, fumée de silice sur ciment, proportion granulaire, classe du ciment) sont pris en compte. L'approche appliquée au fluage est confortée par un calcul viscoélastique linéaire. Dans la deuxième approche, on propose un modèle simplifié, de type réglementaire, pour le calcul des déformations des bétons à hautes performances en fonction du temps, et d'un nombre Limité de paramètres. Les apports principaux de la modélisation concernent la prise en compte de l'autodessiccation, de la maturité et de la résistance du matériau au moment du chargement. Le modèle a été validé d'après de nombreuses données, et pour des bétons de maturités très variables au chargement, variant de seize heures à plus de deux ans. Elaboré dans le cadre de l'Association Française pour le Recherche et l'Etude des Matériaux et des Structures (AFREM), le modèle est proposé comme annexe au règlement français de béton précontraint (BPEL), pour les bétons couvrant la gamme B40-B80.

L'objectif de ce travail est d'apporter une contribution à la compréhension des principaux mécanismes d'action des additions minérales incorporées dans les bétons. L'utilisation de ces matériaux, couplés aux superplastifiants, a permis d'améliorer de façon significative la formulation des bétons ainsi que leurs propriétés mécaniques et de durabilité. Toutefois, afin d'en tirer le meilleur parti, il est nécessaire de connaître les caractéristiques de ces additions minérales et leur action sur les propriétés des bétons. La première partie de la thèse approfondit deux aspects de la caractérisation des fines (quantification de la phase amorphe par diffraction des rayons X et granularité des fines par granulométrie laser) dans le but d'augmenter la confiance dans les résultats obtenus. La deuxième partie met en évidence les effets de l'introduction de fines minérales sur le comportement rhéologique des pâtes de ciment puis élabore les premiers éléments permettant d'en comprendre les principaux mécanismes d'action. L'analyse des résultats montre que : - les modifications des grandeurs rhéologiques (seuil de cisaillement et viscosité apparente) dépendent fortement des propriétés physico-chimiques des fines utilisées (surface spécifique, granularité, composition), particulièrement celles modifiant la compacité et les interactions entre les particules solides ; - le comportement rhéologique des pâtes n'est pas fondamentalement modifié par l'incorporation de fines minérales ainsi que par l'utilisation de la vibration, qui n'ont qu'une fonction d'amplification ou de réduction de phénomènes tel que le rhéoépaississement ; le superplastifiant présente toutefois un rôle primordial, puisque sa teneur croissante dans les mélanges entraîne le passage progressif d'un comportement rhéofluidifiant à un comportement rhéoépaississant.

Dans un site de stockage profond de déchets radioactifs, l'utilisation de matériaux à base de ciment Portland en association avec de l'argile pourrait se révéler inadaptée en raison de leur forte alcalinité. Une alternative serait de mettre en œuvre des ciments générant des solutions interstitielles de pH réduit (de l'ordre de 11 au lieu de 13,5 pour un CEM I). Les formulations étudiées dans cette thèse font appel à des ciments composés (également appelés " liant bas pH ") élaborés à partir de mélanges binaires (CEM I / fumée de silice) ou ternaires (CEM I / fumée de silice / cendres volantes ou laitier), avec de forts taux de substitution du CEM I (de 30% à 80%). Le travail réalisé répond à un double objectif : (i) étudier l'évolution chimique des liants bas pH à 50°C ou 80°C, températures qui pourraient être rencontrées dans certaines zones du stockage, et (ii) préciser les mécanismes à l'origine de la bonne rétention des alcalins par ces liants hydratés. (i) Le suivi sur une période d'un an de pâtes de liant bas pH montre que l'accroissement de la température de 20 à 80°C accélère l'hydratation des liants et favorise la consommation de la portlandite. L'allongement et la réticulation des chaînes de silicates des C-A-S-H est mise en évidence par RMN de l'27Al et du 29Si. L'ettringite observée dans les pâtes conservées à 20°C est par ailleurs déstabilisée. Les sulfates ainsi relâchés sont pour partie adsorbés sur les C-A-S-H et dissous dans la solution interstitielle. Le pH de cette dernière est réduit de 1,7 à 2,2 unités selon les formulations. En revanche, les fractions solubles d'alcalins n'évoluent pas de façon importante. Le liant ternaire T1 composé de 37,5% de CEM I, 32,5% de fumée de silice et 30% de cendres volantes est le seul des ciments étudiés à conduire à un pH de solution interstitielle inférieur à 11 aux trois températures considérées (20, 50 et 80°C - échéances 6 mois et 1 an). Son évolution à plus long terme a pu être simulée à l'aide de systèmes modèles reproduisant sa composition chimique à partir d'oxydes réactifs. A l'équilibre thermodynamique, l'assemblage minéralogique est constitué de C-A-S-H (rapports Ca/Si et Al/Si de 0,75 et 0,15 respectivement) ainsi que d'hydroxyde d'aluminium et de silice amorphes, et il impose un pH de 10,3 à 20°C. (ii) Ce sont les C-A-S-H qui jouent le rôle essentiel dans la rétention des alcalins. Le mécanisme mis en jeu est celui d'une compensation des charges négatives des C-A-S-H par interaction électrostatique. Il existe une sélectivité de sorption : le potassium est mieux retenu que le sodium. Celle-ci pourrait être attribuée en première approche à la différence de rayon solvaté entre ces ions. Une modélisation Monte Carlo des interactions électrostatiques entre des particules de C-S-H et un électrolyte contenant des ions sodium et potassium montre cependant que cette hypothèse ne suffit pas à elle seule à expliquer la sélectivité observée expérimentalement.

L’étude du comportement des bétons à hautes températures est d’une grande importance pour déterminer la stabilité et la résistance des structures en béton en situation d’incendie. Des incendies spectaculaires, ces dernières années, ont montré que le béton pouvait être très fortement sollicité. Ainsi il apparaît qu’assurer un très bon comportement du béton en température permet de sauver des vies et de diminuer les frais d'immobilisation et de réparation des structures endommagées. Le travail présenté vise, par une étude expérimentale, à apporter une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l’exposition aux hautes températures des bétons à hautes performances (BHP). Il s’intéresse, plus particulièrement, aux transferts des fluides dans les bétons (perméabilité) et à l’étude de l’instabilité thermique (phénomène d’éclatement) des bétons à hautes performances. Le travail de thèse a été mené sur des bétons à hautes performances (80 MPa) avec 5% de fumée de silice (matériau à faible perméabilité pour améliorer la durabilité), et différents pourcentages de fibres de polypropylène. L’utilisation des fibres de polypropylène (PP) est considérée comme une solution technique efficace pour améliorer la tenue au feu des bétons à hautes performances, notamment grâce aux phénomènes physiques apparaissant aux températures inférieures à 200°C. Notre travail concerne, dans un premier temps, la caractérisation de l’évolution des propriétés physiques (porosité, perte de masse), thermiques (conductivité et diffusivité) et mécaniques (résistance à la compression et en traction) ainsi que les isothermes de sorption. La deuxième partie de ce travail concerne l’étude de l’évolution de la perméabilité en fonction de la température (jusqu’à 200°C), principale propriété caractérisant les transferts hydriques au sein des bétons. Les paramètres étudiés sont : le type de béton (avec ou sans fibres de PP), deux types de fibre de géométries différentes, la nature du fluide (air ou vapeur d’eau) et la méthode de mesure (en résiduel et à chaud). Les résultats expérimentaux montrent que les fibres génèrent une perméabilité plus importante au-delà de 150°C et que les valeurs obtenues en résiduel ou à chaud peuvent être liés aux modes opératoires. Enfin, dans la dernière partie une investigation sur le phénomène d’éclatement explosif en lien avec la composition du matériau est menée. Une nouvelle méthode d’investigation expérimentale de la sensibilité des formulations à l’instabilité thermique est proposée avec une étude sur des sphères portées en température. Cette méthode devra être comparée aux méthodes traditionnelles d’investigation. L’analyse des résultats des essais permet de discuter sur les causes de l’instabilité thermique et de caractériser les propriétés du béton en température, données indispensables à la modélisation. / The study of the behaviour of concrete at high temperatures is of great importance to determine the stability and strength of concrete structures in fire conditions. Spectacular fires, these last years, showed that the concrete could be very strongly solicited. Thus it appears that to ensure a very good behaviour of the concrete at temperature it is saved people and reduced the expenses of immobilisation and repair of the damaged structures. The aims of the present work, by the experimental study, are to provide a better comprehension of the involved phenomena during the exposure to the high temperatures of the high performance concretes (HPC). It focuses, in particular, on the fluids transfers (permeability) and the study of the thermal instability (spalling) of high performance concrete. The thesis work was conducted on high-performance concrete (80 MPa) with 5% silica fume (low permeability material to improve durability), and different amount of polypropylene fibres. The use of polypropylene fibres (PP) is regarded as an effective technical solution to improve the behaviour of the HPC at fire conditions, in particular thanks to the physical phenomena appearing at the temperatures lower than 200°C. Our work is concerned, initially, on the characterization of the evolution of physical properties (porosity, mass loss), thermal properties (conductivity and diffusivity) and mechanical properties (compressive strength and tensile) and the sorption isotherms. The second part concerns the study of the evolution of the permeability, as a main property characterising the hydrous transfers inside the concrete exposed to temperature. An experimental study is conducted concerning the evolution of the permeability of concrete as a function of temperature (up to 200 ° C). The studied parameters are: the type of concrete (with and without fibres), two types and geometry of fibres, the nature of the fluid (air and vapour) and the measurement methods (residual and under temperature). The experimental results shows that the existing fibres generate a most important permeability beyond 150°C and that the obtained results, by residual or under temperature measurements, may be related to the operating procedures. Finally, in the last part an investigation on the spalling phenomenon related to the material compositions is conducted. A new experimental method of investigation of the sensitivity of the formulations to thermal instability is proposed: the study of spherical specimens exposed in high temperatures. This method will be compared to the traditional methods of investigation. The analysis of the test results makes to discuss the thermal instability causes and to characterize the concrete properties at high temperatures, important data to modelling.

Dans un site de stockage profond de déchets radioactifs, l’utilisation de matériaux à base de ciment Portland en association avec de l’argile pourrait se révéler inadaptée en raison de leur forte alcalinité. Une alternative serait de mettre en œuvre des ciments générant des solutions interstitielles de pH réduit (de l’ordre de 11 au lieu de 13,5 pour un CEM I). Les formulations étudiées dans cette thèse font appel à des ciments composés (également appelés « liant bas pH ») élaborés à partir de mélanges binaires (CEM I / fumée de silice) ou ternaires (CEM I / fumée de silice / cendres volantes ou laitier), avec de forts taux de substitution du CEM I (de 30% à 80%). Le travail réalisé répond à un double objectif : (i) étudier l’évolution chimique des liants bas pH à 50°C ou 80°C, températures qui pourraient être rencontrées dans certaines zones du stockage, et (ii) préciser les mécanismes à l’origine de la bonne rétention des alcalins par ces liants hydratés. (i) Le suivi sur une période d’un an de pâtes de liant bas pH montre que l’accroissement de la température de 20 à 80°C accélère l’hydratation des liants et favorise la consommation de la portlandite. L’allongement et la réticulation des chaînes de silicates des C-A-S-H est mise en évidence par RMN de l’27Al et du 29Si. L’ettringite observée dans les pâtes conservées à 20°C est par ailleurs déstabilisée. Les sulfates ainsi relâchés sont pour partie adsorbés sur les C-A-S-H et dissous dans la solution interstitielle. Le pH de cette dernière est réduit de 1,7 à 2,2 unités selon les formulations. En revanche, les fractions solubles d’alcalins n’évoluent pas de façon importante. Le liant ternaire T1 composé de 37,5% de CEM I, 32,5% de fumée de silice et 30% de cendres volantes est le seul des ciments étudiés à conduire à un pH de solution interstitielle inférieur à 11 aux trois températures considérées (20, 50 et 80°C - échéances 6 mois et 1 an). Son évolution à plus long terme a pu être simulée à l’aide de systèmes modèles reproduisant sa composition chimique à partir d’oxydes réactifs. A l’équilibre thermodynamique, l’assemblage minéralogique est constitué de C-A-S-H (rapports Ca/Si et Al/Si de 0,75 et 0,15 respectivement) ainsi que d’hydroxyde d’aluminium et de silice amorphes, et il impose un pH de 10,3 à 20°C. (ii) Ce sont les C-A-S-H qui jouent le rôle essentiel dans la rétention des alcalins. Le mécanisme mis en jeu est celui d’une compensation des charges négatives des C-A-S-H par interaction électrostatique. Il existe une sélectivité de sorption : le potassium est mieux retenu que le sodium. Celle-ci pourrait être attribuée en première approche à la différence de rayon solvaté entre ces ions. Une modélisation Monte Carlo des interactions électrostatiques entre des particules de C-S-H et un électrolyte contenant des ions sodium et potassium montre cependant que cette hypothèse ne suffit pas à elle seule à expliquer la sélectivité observée expérimentalement. / Because of their high alkalinity, Portland cement (OPC)-based materials may have deleterious effects in an underground waste repository. A solution would be to use low-alkalinity cements (also referred as low-pH cements) generating interstitial solutions with a reduced pH (11 instead of 13.5 for OPC), and thus showing an improved chemical compatibility with the repository environment. In this work, the investigated formulations were based on binary (OPC / silica fume) or ternary (OPC / silica fume / slag or fly ash) blends, with high substitution levels of CEM I (from 30% to 80%). This research project met two main objectives: (i) study the chemical evolution of low-pH cements at 50°C or 80°C, since such temperatures could be encoutered in certain zones of the waste repositories, and (ii) determine the mechanisms of alkali retention by hydrated low-pH cements. (i) Investigation of low-pH cement pastes with ongoing hydration over one year showed that increasing the temperature from 20°C to 80°C accelerated cement hydration and favoured the depletion of portlandite. A lengthening of the C-A-S-H silicate chains was also detected by 27Al and 29Si NMR analyses. Besides, ettringite precipitated at 20°C, but was destabilised at higher temperature. The released sulphates were partly adsorbed on the C-A-S-H and dissolved in the interstitial solution. The pH of this solution was reduced from 1.7 to 2.2 units depending on the formulations. The soluble fractions of alkalis did not significantly change with temperature. Among the five investigated blends, ternary binder T1 (37.5% CEM I, 32.5% silica fume, 30% fly ash) was the only one giving a pore solution pH lower than 11 at 20, 50 and 80°C (curing time of 6 months and 1 year). Its long-term evolution was simulated by model systems reproducing its chemical composition with reactive oxides. At equilibrium, the hydrate assemblage comprised C-A-S-H (Ca/Si and Al/Si ratios of 0.75 and 0.15 respectively), amorphous silica and aluminium hydroxide. It led to a pH of 10.3 at 20°C. (ii) C-A-S-H hydrates played a major role in the retention of alkalis. Sorption of potassium was higher than that of sodium and mainly resulted from electrostatic interactions with C-A-S-H. Monte Carlo modelling of these interactions showed that the difference of solvated radii between these ions could not explain by itself the sorption selectivity experimentally observed.