La sécheresse, accentuée par le réchauffement climatique actuel et à venir, induit des phénomènes de retrait et de gonflement dans de nombreux sols argileux. Ces phénomènes se traduisent principalement par deux conséquences majeures : la modification des propriétés physiques du sol qui influe directement sur l’agriculture et les déformations induisant souvent des tassements différentiels aux niveaux des structures et des ouvrages. Jusqu’à aujourd’hui, ces phénomènes ont été étudiés principalement à l’échelle mésoscopique (échelle « classique » de laboratoire) et macroscopique (échelle de l’ouvrage). Des recherches ont été menées à l’échelle microscopique mais dans des contextes particuliers (argiles destinées au stockage des déchets radioactifs). Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse constitue par conséquent une des premières études sur des argiles naturelles, prélevées in situ sur des sites affectés par le retrait-gonflement : la montmorillonite grecque et l’argile verte de Romainville. Ces deux argiles ont été soumises à des cycles d’humidification-séchage dans le Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE) afin de quantifier le retrait-gonflement et d’en étudier la cinétique. Un protocole expérimental a été établi, basé sur l’application de l’humidification et du séchage par paliers avec des temps d’équilibre et une fréquence d’application réguliers. Ces essais ont été menés dans le but d’analyser : l’influence de la composition minéralogique, l’étude de l’effet d’échelle et l’influence du type de pilotage (pression ou température). En parallèle à ces essais, des expérimentations ont été menées à l’échelle mésoscopique afin d’établir d’éventuels liens entre les deux échelles. Ils ont consisté en l’étude de l’évolution de la microstructure, de la microporosité et de l’établissement des courbes de rétention. Les observations effectuées à ces deux échelles ont mené à la mise au point de deux méthodes, volontairement simplifiées pour des facilités de mise en œuvre et d’une investigation rapide (études préliminaires, bureaux d’étude). Ces deux méthodes sont, l’une analytique, l’autre numérique, permettant la transition vers l’échelle macroscopique et pour pouvoir estimer le retrait et le gonflement possibles sur un site donné. L’analyse des résultats des essais effectués à l’échelle microscopique (essais MEBE) conduit aux remarques suivantes : la majeure partie des déformations se produit aux fortes humidités relatives ; les déformations mesurées à l’échelle microscopique sont similaires à celles mesurées à l’échelle mésoscopique ; la cinétique de gonflement et de retrait est marquée par plusieurs phases distinctes selon l’argile considérée ; la composition minéralogique, la taille des agrégats et le type de pilotage présentent une influence au niveau de l’amplitude du retrait-gonflement et de la cinétique. L’analyse des résultats des essais effectués à l’échelle mésoscopique (essais de laboratoire) conduit aux remarques suivantes : la limite de retrait (Wr) correspond à une teneur en eau de 13 % et un indice des vides de 0,52 ; aux fortes et moyennes succions, le sol présente une microstructure compacte avec une macroporosité augmentant avec la succion ; aux faibles succions, la microstructure compacte évolue de contours nets et saillants des agrégats à des contours plus doux et réguliers ; des microorganismes ont été observés, engendrant une porosité à la surface très importante, pouvant entraîner un vieillissement du sol et la création de chemins préférentiels pour la pénétration de l’eau ; avec la diminution de la succion, une diminution de la surface spécifique externe et du volume microporeux est observée ; l’humidification et le séchage des échantillons ne semblent pas induire pas de conséquences irréversibles sur la microstructure. / The drought, emphasised by the current global warming and to come, leads phenomena of shrinkage and swelling of many clayey soils. These phenomena are mainly translated by two major consequences: the modification of the physical properties of the soil which influences directly the agriculture and the deformations leading often differential compaction at the levels of the structures and the buildings. Until today, these phenomena were mainly studied at the mesoscopic level (laboratory classical level) and macroscopic level (buildings scale). Research was led to the microscopic level but in particular contexts (clays intended for the confinement of the radioactive waste). The research work presented in this thesis manuscript constitutes consequently one of the first studies on natural clays, taken in situ from sites affected by the swelling-shrinkage: the Greek montmorillonite and the clay of Romainville. These two clays were subjected to wetting-drying cycles in the Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) in order to quantify the swelling-shrinkage and to study kinetics. An experimental protocol was established, based on the application of the wetting and the drying by stages with regular time of stabilisation and frequency of application. These tests were led in order to analyse: the influence of the mineralogical composition, the study of the effect of scale and the influence of the type of piloting (pressure or temperature). In parallel to these tests, some experiments were led to the mesoscopic level to establish possible links between both levels. They consisted of the study of the evolution of the microstructure, the microporosity and the establishment of the retention curves. The observations made in these two levels led to the development of two methods, voluntarily simplified for ease of implementation and of a fast investigation (preliminary studies, engineering consulting firms). These two methods are, the one analytics, the other numerical, allowing the transition towards the macroscopic level and to be able to estimate the possible shrinkage and the swelling on a given site. The analysis of the results of the tests made in the microscopic level (ESEM tests) leads to the following remarks: the major part of the strains occurs in the high relative humidities; the strains measured in the microscopic level are similar to those measured in the mesoscopic level; the kinetics of swelling and shrinkage are marked by several different phases according to the considered clay; the mineralogical composition, the size of the aggregates and the type of piloting present an influence at the level of the amplitude of the shrinkage - swelling and the kinetics. The analysis of the results of the tests made in the mesoscopic level (laboratory tests) leads to the following remarks: the shrinkage limit (Wr) corresponds to a 13 % moisture content and a void index of 0,52; in the high and medium suctions, the soil presents a compact microstructure with a macroporosity increasing with the suction; in the low suctions, the compact microstructure evolves of sharp outlines of the aggregates in rounder outlines; microorganisms were observed, engendering a very important porosity on the surface, being able to pull an ageing of the ground and the creation of preferential paths for the penetration of the water; with the decrease of the suction, the decrease of the external specific surface and of the microporous volume is observed; the wetting and the drying of samples do not seem to lead no irreversible consequences on the microstructure.

Ce travail a pour objectif d’étudier la fissuration des sols due au séchage par des approches numérique et analytique. L’initiation et la propagation des fissures sont investiguées en utilisant un code de calcul aux éléments finis avec la présence des joints cohésifs. Les couplages entre le problème hydraulique et le comportement mécanique en présence des discontinuités sont considérés. La loi de la fissure cohésive est appliquée pour modéliser l’initiation et la propagation des fissures.Tout d’abord, les résultats d’un essai de séchage au laboratoire réalisé sur un sol argileux à l’état liquide sont utilisés afin d’évaluer la méthode numérique proposée. Les résultats numériques montrent que le modèle est capable de reproduire les tendances principales du processus de séchage. Elle souligne aussi l’importance des conditions aux limites dans l’initiation des fissures. Ensuite, une approche énergétique est proposée pour étudier l’initiation d’une fissure. Les énergies élastiques avant et après l’initiation de la fissure sont estimées par les deux approches analytique et numérique. L’énergie dissipée lors de l’initiation de la fissure est comparée avec le taux d’énergie pour créer une fissure. Les analyses montrent que le critère d’énergie peut est atteint avant le critère de contrainte. La dissipation de l’énergie cumulée correspond à la propagation instable lors de l’initiation de la fissure. De plus, le développement et la géométrie des fissures sont étudiés essentiellement par les simulations numériques avec plusieurs joints cohésifs. Les résultats numériques montrent que la fissuration se produit souvent progressivement pour former différentes familles de fissures par un processus dichotomique (une fissure apparait au milieu de deux fissures existantes). La propagation d’une fissure est brutale dans la phase d’initiation pour atteindre une profondeur appelée ‘ultime’. Les fissures dans chaque famille peuvent apparaitre simultanément à un même niveau de succion et présentent une même profondeur ultime. En se basant sur les résultats numériques et quelques analyses analytiques supplémentaires, des relations empiriques sont proposées afin de prédire l’espacement et la profondeur ultime des fissures. Finalement, quelques calculs préliminaires sont réalisés afin d’évaluer le potentiel de la méthode numérique proposée pour prédire la fissuration liée au séchage des ouvrages en terre / This work focuses on the analysis of desiccation cracking by numerical and analytical approaches. The initiation and the propagation of cracks are investigated by using a finite element code including cohesive joints elements. Coupling between the hydraulic and the mechanical processes in the presence of discontinuities is considered. The cohesive crack’s law is applied to simulate the initiation and the propagation of cracks.Results of a laboratory experiments performed on slurry clay soil are first used to evaluate the proposed numerical modelling method. The results show that the method is able to reproduce the main trends of desiccation process. The importance of boundary conditions are also discussed. Second, an energy approach is proposed to study the initiation of cracks. The energies before and after crack initiation are estimated by both numerical and analytical solutions. The energy released by cracking is then compared to the crack energy to discuss crack initiation conditions. The analysis shows that the energy criterion is reached before the stress criterion, and this can explain unstable crack propagation at the beginning. Third, the development and the geometry of desiccation cracks are studied by numerical simulation with several cohesive joints. The numerical results show that cracking occurs sequentially to form different cracks families with a dichotomy process (the subsequent cracks appear at the middle of two existing neighboring ones). The cracks in each family appear simultaneously and reach an identical ultimate depth. From the numerical results and additional analytical analysis, empirical correlations are proposed to predict the spacing and crack depth. Finally, some preliminary studies are performed showing that the proposed numerical method can be used to predict the desiccation crack phenomena observed on geotechnical earth structures

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

La Réaction Sulfatique Interne (RSI) est une pathologie endogène qui peut toucher les matériaux cimentaires ayant été exposés à des températures supérieures à environ 65°C. Elle est causée par une formation tardive de l'ettringite dans le matériau durci, induisant le développement de pressions de cristallisation et de gonflements importants. Au jeune âge, l'élévation de température peut être due soit à l'exothermie de l'hydratation du ciment, en particulier au cœur des pièces massives, soit à la préfabrication où un échauffement est appliqué au matériau au jeune âge pour accélérer la prise et permettre un décoffrage plus rapide. L'élévation de température sur un béton durci (incendie, stockage de déchets radioactifs, structures stratégiques) représente un autre cas potentiel de développement des expansions induites par la RSI. Lors du développement de cette réaction, on observe la formation de fissures et une dégradation des performances mécaniques nuisant à la capacité portante et aux fonctionnalités en service des structures touchées par cette pathologie. L'objectif de cette recherche est de préciser et quantifier la relation entre l'histoire thermique subie (au jeune âge ou sur béton mature) et la courbe caractérisant le gonflement libre en fonction du temps (potentiel et cinétique de gonflement) afin de compléter les recommandations de prévention (basées le plus souvent sur la limitation de l'élévation de température) et de réparation des structures atteintes de cette pathologie et d'améliorer la prévision de l'état d'une structure endommagée dans le cadre d'un diagnostic. Pour les outils de calcul, tel le module RGIB du code CESAR, qui permettent de recalculer les structures atteintes de cette pathologie, la présente recherche a pour but de valider, améliorer ou élaborer la loi de couplage donnant l'expansion induite par la RSI en fonction de l'histoire thermique, au jeune âge ou lors d'échauffements tardifs. Le programme expérimental s'est focalisé sur la compréhension de l'effet de l'histoire thermique (température et durée d'échauffement) au jeune âge sur le développement des expansions, en étoffant la base de données permettant de valider les modèles de prédiction proposés dans la littérature. Il a également étudié l'effet de différents traitements thermiques tardifs où peu de données sont disponibles dans la littérature. Ces effets ont été étudiés sur des corps d'épreuve en béton potentiellement sujets à la formation différée d'ettringite : des traitements thermiques à plusieurs températures (61, 66, 71, 81, 86°C) et pendant des durées de cure de 1 à 28 jours ont été appliqués. Le suivi massique et dimensionnel des corps d'épreuve a permis d'identifier l'existence d'un effet de pessimum vis-à-vis de la durée de cure. Les caractéristiques des expansions ont été quantifiées et comparées aux histoires thermiques afin d'établir le couplage entre histoire thermique et gonflement. La pertinence du concept « d'énergie utile », associé à l'intégrale de la température en fonction du temps au-dessus d'une valeur seuil correspondant à la déstabilisation de l'ettringite, a été démontrée par la mise en évidence de courbes maîtresses. Une interprétation cohérente des résultats d'expansions (cinétiques et magnitudes) et des effets de la RSI sur les propriétés mécaniques en fonction des différentes histoires thermiques a été proposée, en lien avec une loi de prédiction des expansions / Delayed Ettringite Formation (DEF) is an internal swelling reaction that can affect concretes heated at a temperature higher than about 65°C. This phenomenon is related to a late formation of a normal hydrate (ettringite) of cement inducing crystallization pressure and significant expansions. This late formation of ettringite may affect concretes exposed to high temperatures at early age; it may be the case of precast elements, and massive concrete parts heated due to cement hydration (combination of the exothermic hydration and the low heat transfer conditions). Late in service exposure to high temperatures (fire, radioactive waste depositories and parts of structures of power plant) correspond to another situation that can induce expansion generated by DEF. In most cases, DEF leads to concrete swelling, cracking, decrease of the mechanical properties of the affected materials and thus potential problems in terms of serviceability and bearing capacity of the affected structures. The objectives of this study are to quantify and predict the relation between thermal history and swelling characteristics (magnitude and kinetics) in order to propose recommendations for prevention of DEF (A critical condition for the development of this reaction consists in the temperature increase at early age. Thus, temperature limitation is recommended as one of the most efficient ways to avoid DEF expansions), and for assessment and repair of structures affected by this pathology. For numerical tools, such as RGIB module of the CESAR-LCPC F.E. software, which allow to re-assess the structures affected by this phenomenon, this research aims to validate, or improve, or develop a coupling law giving the expansion induced by DEF depending on a thermal history at early age or on mature concrete. The investigations carried out were focused on the effect of temperature and curing duration of early age heat treatments on the risk of developing expansion. They also included effect of late heat treatments which correspond to scarce data in the literature. The experiments were performed on concrete specimens, using a sulfate, aluminate and alkali-rich cement, aiming to quantify the expansion magnitudes and kinetics due to different thermal histories and to identify the existence of an eventual pessimum effect with respect to the thermal energy, as mentioned in the literature. A number of heat treatments at 61, 66, 71, 81 and 86°C were applied for durations from 1 to 28 days. Monitoring of the specimens dimensions allowed identifying a pessimum effect with respect to the thermal curing duration. The swelling characteristics (magnitude and kinetics) have been quantified, using a mathematical relation, and compared to thermal histories applied to determine a link between thermal history and swelling. The relevance of the concept of ‘effective thermal energy' associated with the integral of the temperature as a function of time beyond a threshold value corresponding to the destabilization of ettringite was demonstrated by the identification of master curves. A consistent interpretation of the results of expansions (kinetics and magnitudes) and effects on the mechanical properties according to different thermal histories, has been proposed in connection with the law for predicting expansions

La cellulose, polymère naturel linéaire non fusible en dessous de sa température de dégradation, peut être mise en forme moyennant des procédés plus ou moins complexes et polluants. Parmi des nombreux solvants connus pour la cellulose, le seul, à ce jour, à être utilisé industriellement pour le filage des fibres, est la N-méthylmorpholine-N-oxyde (NMMO). Le procédé NMMO, bien que utilisé depuis une quinzaine d'années, est encore sujet à une utilisation assez empirique. L'objectif scientifique de notre travail était de lever un certain nombres de questions relatives aux diverses étapes du procédé : dissolution, mise en forme et précipitation. La variation de la fraction NMMO/eau à ces différentes étapes qui est caractéristique au procédé a fait émerger la nécessité de la construction d'un diagramme de phases complet du système NMMO/eau. Nous avons construit un tel diagramme. Dans ce cadre, nous avons pu confirmer l'existence d'un composé monohydraté (1H2O-NMMO) ayant une température de fusion de 80°C et nous avons montré l'existence d'un composé à 2 molécules d'eau par molécule de NMMO ayant une température de fusion de 40°C (certains auteurs penchaient en faveur d'un composé 2,5H2O-NMMO. De plus, nous avons montré la possibilité de formation d'un autre composé hydraté, à 8 molécules d'eau par molécule de NMMO ayant une température de fusion de - 45°C. L'étude des interactions de la cellulose avec les mélanges NMMO/eau dans toute la gamme des concentrations a permis de montrer que la cellulose II présente les cinétiques de gonflement et de dissolution plus rapides que la cellulose I. Pour les mélanges à forte teneur en eau le gonflement n'affecte que la phase amorphe et s'accompagne d'une structuration de celle-ci lorsque la teneur en eau est entre 28% et 50%. Le rôle prédominant dans la cristallisation des solutions cellulose/NMMO/eau appartient au solvant. La vitesse de cristallisation, à température et concentration de cellulose données, n'est pas fonction de la viscosité de la solution, mais dépend des propriétés du solvant - sa quantité, sa teneur en eau et de l'état de dispersion de la cellulose en solution. Cet état de dispersion dépend de l'origine de la cellulose. Lorsque le taux de cristallinité de la cellulose est élevé, la dispersion des chaînes est faible et la vitesse de cristallisation du solvant est élevée. La vitesse de précipitation de la cellulose à partir des solutions cellulose/NMMO/eau dans un bain aqueux est définie par la vitesse de diffusion du solvant (NMMO) de la solution vers le bain et la vitesse de diffusion du non-solvant (eau) du bain vers la solution. La diffusion du non-solvant est influencée par la teneur en NMMO du bain d'eau tandis que la diffusion du solvant est affectée en plus par la concentration de cellulose dans la solution. Nous avons montré que la diffusion du non-solvant est dix fois plus importante que la diffusion du solvant et nous avons relié ce résultat à la morphologie particulière des solutions régénérées à l'état fondu.

<p align="justify">Des membranes échangeuses anioniques à base de polysulfone, portant des sites échangeurs de type ammonium quaternaire, ont été préparées. Misant sur la possibilité d’établissement d’interactions spécifiques entre les espèces échangées et les sites chargés, nous avons fait varier la longueur des chaînes alkyles sur l’azote de un à trois carbones, dans le but de moduler le transport d’anions caractérisés par des propriétés d’hydratation différentes.</p> <p align="justify">La réaction d’halométhylation a été choisie pour l’introduction préalable sur le squelette polymérique de groupements précurseurs des sites ioniques. Une étude cinétique de la réaction a permis d’établir des conditions compatibles avec un haut taux de substitution et une absence de réticulation. Des réactions d’amination ont été sélectionnées pour la conversion des sites précurseurs en sites ammoniums quaternaires. L’étape d’élaboration du film s’est avérée essentielle pour l’obtention de membranes et peut être réalisée avant et après l’amination. Nous avons mis en évidence que l’encombrement stérique du réactif entrave la diffusion de celui-ci au sein d’un réseau polymérique dense et peut entraîner une déstructuration mécanique des films. Par conséquent, pour l’introduction de sites ammoniums quaternaires à chaînes alkyles de plus d’un carbone, des réactions en solution se sont révélées plus appropriées.</p> <p align="justify">L’hydratation d’une membrane comportant des sites ammoniums quaternaires à chaînes latérales méthylées a été étudiée par spectroscopie vibrationnelle. Des modifications induites par l’hydratation apparaissent sur les spectres IR et Raman du polymère. L’interprétation de ces changements nous a amenés à conclure que les groupements éther et sulfone, tous deux électronégatifs, interagissent avec les sites ammoniums quaternaires dans la membrane sèche. L’entrée d’eau dans la membrane empêche l’existence de ces interactions en éloignant les chaînes polymériques les unes des autres.</p> <p align="justify">L’ensemble des membranes préparées dans le cadre de ce travail a été caractérisé du point de vue des propriétés électromembranaires de résistance électrique, de densité de courant limite et de sélectivité nitrate versus chlorure. Nous avons mis en évidence qu’un allongement des chaînes alkyles sur l’azote de un à trois carbones conduit à une sélectivité accrue pour le nitrate, anion caractérisé par une enthalpie libre d’hydratation moins négative que le chlorure. Avec des chaînes alkyles de trois carbones sur l’azote, la membrane laisse passer jusqu’à treize anions nitrate pour un anion chlorure. Ces résultats indiquent que la sélectivité des membranes synthétisées peut effectivement être contrôlée par les interactions spécifiques s’établissant entre l’ion échangé et le site échangeur. Nous avons aussi montré que la résistance des membranes diminue jusqu’à environ 1 <font face="Symbol, serif">W</font> cm2 suite à leur réimmersion dans un bain d’amine. L’influence de cette étape de réimmersion est discutée.</p>

L'étude des matériaux argileux a de nombreuses applications en génie civil et environnemental. Ces applications, telles que l'enfouissement des déchets nucléaires, les risques naturels liés au gonflement et au retrait des sols, et l'extraction d'hydrocarbures, posent des défis technologiques qui nécessitent de comprendre et de prédire le comportement mécanique des argiles, en particulier sur le long terme. Les argiles gonflantes sont des matériaux complexes, poreux et multi-échelles dont les propriétés sont très sensibles à l'eau. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre l'effet de l'eau sur les propriétés mécaniques à court et long terme des argiles. Notre stratégie est de combiner des simulations numériques à l'échelle du nanomètre et des expériences à l'échelle du micromètre afin de mieux comprendre l'interaction entre ces échelles. Nous avons effectué des simulations moléculaires pour quantifier l'effet de l'eau et du cation interfoliaire sur les propriétés de gonflement, élastiques et de fluage des feuillets d'argile, qui à cette échelle sont inaccessibles à l'expérience. Nous avons également effectué une étude comparative de différents modèles de feuillets d'argile de complexité croissante afin de mieux comprendre les interactions qui régissent la cohésion entre les feuillets d'argile. Nous avons mesuré expérimentalement les propriétés de films d'argile autoporteurs bien ordonnés. Nous avons montré l'effet de l'humidité relative et de la nature du cation interfoliaire sur les déformations de ces films d'argile. En particulier, nous avons quantifié le gonflement de ces films induit par l'humidité en combinant microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. Nous avons également effectué des essais de traction et de fluage sur ces films à humidité contrôlée. Nous avons comparé les données obtenues par nos expériences aux résultats des simulations moléculaires. Cette comparaison permet de discuter les mécanismes élémentaires de déformation et les échelles pertinentes pour la compréhension du comportement hydromécanique des argiles

La réaction sulfatique interne (RSI) dans les ouvrages en béton est une pathologie susceptible de se développer lorsque des conditions particulières portant sur la composition du béton, les conditions thermiques au jeune âge et l'environnement sont réunies. Ce phénomène est attribué à la formation d'ettringite différée qui provoque un gonflement du matériau et une fissuration dans la structure. Deux types de béton sont concernés par cette pathologie : les bétons préfabriqués traités thermiquement et les bétons coulés en place dans les pièces massives. Bien que largement étudiée depuis une dizaine d'années, la RSI n'est pas à ce jour parfaitement connue du fait de la complexité du phénomène au niveau des mécanismes mis en jeu, des paramètres influents et de ses conséquences tant à l'échelle microscopique qu'à l'échelle de l'ouvrage. Ce travail vise donc à apporter des éléments de réponse à plusieurs interrogations concernant cette pathologie, en se focalisant sur l'étude de l'impact de certains facteurs intervenant lors de la réaction et sur l'application nucléaire. De nombreuses études expérimentales ont été ainsi mises en œuvre. Une large étude est consacrée à évaluer le risque de développement de la RSI dans une enceinte de confinement d'une centrale nucléaire, du fait de la présence de structures massives dans ce type d'ouvrages. Ces travaux ont permis de mettre en évidence dans quelle mesure la pathologie influe sur les caractéristiques mécaniques et sur les propriétés de transfert du béton, et ainsi de vérifier si les exigences de sûreté attendues par ces structures sont mises en cause. Ensuite, nous nous sommes intéressés à étudier l'impact de l'hygrométrie du béton sur le développement de la RSI. Nous avons pu identifier le couplage qui existe entre l'humidité environnante et le gonflement. Le rôle joué par la lixiviation des alcalins a été également mis en évidence. Des suivis des propriétés de transfert ont été menés et confrontés aux gonflements observés. Enfin, nous nous sommes intéressés à caractériser le rôle joué par le squelette granulaire sur la cinétique et l'amplitude du gonflement par RSI. Les paramètres étudiés concernent la taille et la fraction volumique des inclusions granulaires. De plus, un exemple d'application d'une modélisation numérique mésoscopique du gonflement est proposé / Delayed ettringite formation (DEF) in concrete structures is a pathology that can develop when special conditions on the concrete composition, the thermal conditions at the young age and the environment are met. This phenomenon provokes swelling of the material and cracking in the structure. It affects two types of concrete : the concrete heat-treated and the concrete cast in place in massive parts. Although many studies were done before in order to better understand this pathology, the DEF is still not well known. This is due to its complex mechanism, the influential parameters and its consequences on microscopic and structural scales. For that purpose, the thesis work was designed in order to better understand this pathology. Experimental studies were done to evaluate the impact of certain factors during the reaction, by focusing on nuclear application. An important part of this study was dedicated to assess the risk of DEF development in a nuclear power plant, and to understand how this pathology affects the mechanical characteristics and transfer properties of the concrete. Then, we have studied the impact of the hygrometry on the development of DEF. This has lead to identify a relation between environmental humidity and swelling. We have also examined the role of alkali leaching. A follow up study of the transfer properties was also done and was confronted to the observed swelling. Finally, we were interested in the characterization of the aggregates effect on the kinetics and the amplitude of DEF swelling. So, we have examined the parameters related to the size and the volume fraction of granular inclusions. Furthermore, an application of a mesoscopic numerical modeling of swelling is proposed

Le processus de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine des dommages au bâti durant les périodes de sécheresse. Dans cette thèse, les processus de retrait-gonflement de deux formations de sol argileux en France qui sont les Argiles Plastiques du Sparnacien et l'argile d'Héricourt du Lias sont étudiés à différentes échelles et différents états (intact, remanié, compacté et traité à la chaux) en considérant spécialement le rôle de la microstructure. Pour ce faire, une partie de la recherche est réalisée sur la caractérisation des sols étudiés pour analyser leurs propriétés minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques par rapport à leur propriété de retrait-gonflement. La deuxième partie de la recherche est consacrée à l'analyse des processus de gonflement, de retrait, de fissuration des sols au cours d'un cycle simple ou de cycles répétés d'humidification-séchage à l'échelle de l'éprouvette. Les processus de retrait-gonflement de sol à une échelle plus grande sont étudiés dans la troisième partie en réalisant les essais d'infiltration et d'évaporation dans une chambre environnementale. Les résultats obtenus mettent en évidence les différences de comportement au retrait-gonflement pour différents états des sols étudiés. Les minéraux argileux ainsi que le quartz, les carbonates et des hydrates, mais aussi la microstructure des sols contrôlent ces phénomènes de retrait-gonflement lors des échanges hydriques. Tous les changements de volume de sol argileux au cours de gonflement-retrait sont gouvernés principalement par la famille de pores inter-agrégats naturels. Ces résultats sont apportés par les analyses microstructurales porosimétriques et au MEB. / The shrink-swell process of clayey soils is causing damage to the structures during periods of drought. In this thesis, the shrink-swell process of two clayey soils in France that are the Plastic Clays of Sparnacian age and Héricourt clay of Lias is studied at different scales and different conditions (intact, remoulded, compacted and lime treated) by insisting on the role of microstructure. To do this, a part of the study is carried out on the characterisation of soils studied to analyse their mineralogical, microstructural, geotechnical and hydraulic properties in relation with their shrink-swell property. The second part of the study focuses on the analysis of swelling, shrinkage, cracking processes of soil during a single cycle or repeated wetting-drying cycles at specimen scale. The shrink-swell process of soil at a larger scale is studied in the third part by performing infiltration and evaporation tests in the environmental chamber. The results highlight the difference in the shrink-swell behavior at different conditions of soils studied and emphasize the importance of the presence and nature of clay minerals also quartz, hydrates and microstructure of soil to the shrinkage and swelling during water exchange. All changes in the volume of clayey soil during shrinkage and swelling are mainly governed by natural inter-aggregate pores, which are showed by microstructural analyses of MIP and SEM tests.

L'étude des matériaux argileux a de nombreuses applications en génie civil et environnemental. Ces applications, telles que l'enfouissement des déchets nucléaires, les risques naturels liés au gonflement et au retrait des sols, et l'extraction d'hydrocarbures, posent des défis technologiques qui nécessitent de comprendre et de prédire le comportement mécanique des argiles, en particulier sur le long terme. Les argiles gonflantes sont des matériaux complexes, poreux et multi-échelles dont les propriétés sont très sensibles à l'eau. Dans cette thèse, nous cherchons à comprendre l'effet de l'eau sur les propriétés mécaniques à court et long terme des argiles. Notre stratégie est de combiner des simulations numériques à l'échelle du nanomètre et des expériences à l'échelle du micromètre afin de mieux comprendre l'interaction entre ces échelles. Nous avons effectué des simulations moléculaires pour quantifier l'effet de l'eau et du cation interfoliaire sur les propriétés de gonflement, élastiques et de fluage des feuillets d'argile, qui à cette échelle sont inaccessibles à l'expérience. Nous avons également effectué une étude comparative de différents modèles de feuillets d'argile de complexité croissante afin de mieux comprendre les interactions qui régissent la cohésion entre les feuillets d'argile. Nous avons mesuré expérimentalement les propriétés de films d'argile autoporteurs bien ordonnés. Nous avons montré l'effet de l'humidité relative et de la nature du cation interfoliaire sur les déformations de ces films d'argile. En particulier, nous avons quantifié le gonflement de ces films induit par l'humidité en combinant microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. Nous avons également effectué des essais de traction et de fluage sur ces films à humidité contrôlée. Nous avons comparé les données obtenues par nos expériences aux résultats des simulations moléculaires. Cette comparaison permet de discuter les mécanismes élémentaires de déformation et les échelles pertinentes pour la compréhension du comportement hydromécanique des argiles / The study of clay-based materials has many applications in civil and environmental engineering. These applications include underground nuclear waste disposal, the natural risks associated to the swelling and shrinkage of soils, and the extraction of hydrocarbons. They pose significant technological challenges that require to understand and to predict the mechanical behavior of clays, in particular on the long term. Swelling clays are complex porous multi-scale materials and their properties are very sensitive to water. In this thesis, we aim at understanding the impact of water on the short-term and long-term mechanical properties of clays. Our strategy was to combine numerical simulations at the scale of the nanometer and experiments at the scale of the micrometer to have a better insight of the interplay between these scales. We performed molecular simulations to estimate the effect of water and of the interlayer cation on the swelling, elastic and creep properties of clay layers, which are inaccessible to experiments at this scale. We also carried out a comparative study of various numerical models of increasing complexity in order to better understand the interactions that governs the cohesion between the clay layers. We measured experimentally the properties of well-ordered self-supporting clay films. We investigated the impact of relative humidity and of the nature of the interlayer cation on the mechanical properties of these clay films. In particular, we quantified the humidity-induced swelling of these films by using a combination of environmental scanning electron microscopy and digital image correlation. We also performed tensile tests and creep tests on these films at controlled relative humidity. We compared the data obtained by our experiments to the results of the molecular simulations. This comparison makes it possible to discuss the elementary deformation mechanisms and the scales relevant to the understanding of the hydromechanical behavior of clays