Dans le domaine de l’isolation thermique du bâtiment, les évolutions réglementaires (RT2012)et normatives (NF BPE : Béton à Propriétés Thermiques, septembre 2016) incitent à évoluer vers des bétons isolants et structurels (BIS). La maîtrise de leur conductivité thermique est primordiale. Il est possible, en plus de faire appel à un squelette granulaire léger, de jouer sur la nature de la pâte en utilisant des inclusions qui apporteraient un pouvoir isolant supplémentaire : les cénosphères. Dans un contexte de facilité de mise en oeuvre, à ces propriétés est rajouté le critère auto plaçant des bétons. On parle alors de Bétons Isolants Structurels Autoplaçants (BISAP). La maitrise et la validation de ces nouvelles formules dans le respect d’une approche prescriptive a nécessité la caractérisation des matériaux à différentes échelles (de l’inclusion à l’échelle de l’ouvrage) en développant des approches expérimentales et numériques. Leur comportement à l’état frais et à l’état durci a été analysé. Les conductivités thermiques mesurées placent ces nouveaux bétons dans la catégorie Bétons Isolants Structurels au sens du nouveau référentiel. Le modèle numérique développé permet d’approcher correctement les valeurs expérimentales. D’autre part, la sensibilité des BISAP incorporant des cénosphères à plusieurs indicateurs de durabilité (porosité accessible à l’eau, perméabilité,carbonatation et retrait) a également été étudiée. L’influence des microsphères est plus ou moins notable en fonction du mécanisme abordé. / In the field of building thermal insulation, regulatory (RT2012) and standards (NF BPE: Béton à Propriétés Thermiques, September 2016) evolutions are encouraging the use of insulating structural concrete (BIS). The control of their thermal conductivity is essential. It is possible, in addition to using lightweight aggregates, to modify the composition of the cement paste by using hollow inclusions (fly ash cenospheres) to bring an additional thermal insulating potential. In a context of improved workability, to these properties is added the criterion of self-compacting concrete. The validation of these new formulas required the characterization of materials at different scales (from inclusion scale to building scale) by implementing experimental and numerical approaches. Their properties at fresh and hardened state were analyzed. The measured thermal conductivities place these new concretes in the Category of Structural Insulating Concrete in the sense of the new standard. The developed numerical model allowed approaching the experimental measurements correctly. The effect of cenospheres’ incorporation into cement paste on several durability indicators was also characterized.

Dans un bâtiment, les déperditions thermiques proviennent de diverses parties opaques (mur, toit et plancher) qui peuvent contenir du béton. Il est donc intéressant d'envisager des formulations de béton de structure avec des propriétés d'isolation thermique améliorées. L'utilisation de granulats légers, qui possèdent de bonnes propriétés thermiques grâce à leur structure poreuse, peut être une solution pour améliorer la capacité d'isolation des éléments en béton. Cette technique d'isolation répartie peut permettre d'éviter des dispositifs constructifs lourds tout en répondant aux exigences de la RT 2012. La présente étude a pour objectif d'optimiser le couple performance mécanique - capacité isolante des bétons de granulats légers. Elle repose sur une double approche expérimentale et numérique.Les bétons de granulats légers ciblés ont une masse volumique inférieure à 1500 kg/m3 et une résistance en compression supérieure à 25 MPa. L'influence de la nature des granulats légers, du taux de substitution du sable alluvionnaire par du sable léger, du rapport E/C et de l'ajout de fumée de silice sur les performances mécaniques et thermiques des bétons est étudiée afin de proposer des formulations adéquates pour une large gamme d'usage structurel. Le module d'Young, la résistance en compression, la conductivité thermique et la diffusivité sont mesurées sur 25 formulations de bétons de granulats légers. Le comportement thermique de ces différents bétons en fonction de facteurs climatiques, comme la température et le degré d'humidité est aussi examiné afin d'optimiser leurs propriétés d'isolation thermique. L'ensemble des résultats expérimentaux permet une meilleure compréhension de la relation entre la formulation des bétons de granulats légers et leur rapport performance mécanique / pouvoir isolant. En s'appuyant sur certaines mesures expérimentales, des modélisations numériques reposant sur des techniques d'homogénéisation permettent d'identifier des propriétés thermiques (conductivité thermique, chaleur spécifique) et mécaniques (module d'Young, résistance à la rupture) des granulats légers (gravillons et sables) difficilement mesurables expérimentalement. Connaissant les propriétés thermiques et mécaniques des différents constituants, des modélisations prédictives des comportements macroscopiques des bétons légers sont développées à partir de schémas d'homogénéisation pour des matériaux multi-phases polydisperses. Les outils développés sont comparés et validés par confrontation aux mesures expérimentales pour les différentes familles de bétons de granulats légers étudiés. Ils permettront par la suite d'alléger les coûts et délais des campagnes expérimentales de mise au point des formulations. La modélisation, sur une année, des transferts thermiques à travers une enveloppe de bâtiment en béton de granulats légers permet de quantifier l'amélioration des performances thermiques des bétons de granulats légers par rapport à un béton classique. / In a building, heat is lost through a variety of surfaces (wall, roof and floor) that may contain concrete. It is therefore useful to consider alternative concrete structures with improved thermal insulation properties. The use of lightweight aggregates, which have good thermal properties due to their porous structure, can present a solution for improving the insulation capacity of the concrete elements. This embedded insulation technique allows lighter construction systems while satisfying the requirements of the RT 2012. This study aims to optimize the mechanical performance/insulating capacity coupling of lightweight aggregate concrete. It is based on a double approach of experimental and numerical analysis.The targeted lightweight aggregate concretes have a density lower than 1500 kg/m3 and a compressive strength higher than 25 MPa. The influence of the lightweight aggregate nature, the rate of substitution of alluvial sand by lightweight sand, W/C ratio and the addition of silica fume on the mechanical and thermal performances of concrete is studied. This allows to identify formulations suitable for a wide range of structural applications. Young's modulus, compressive strength, thermal conductivity and diffusivity are measured on 25 formulations of lightweight aggregate concrete. The thermal behavior of these concretes, including sensible and latent heat transfer, is also examined in order to optimize their thermal insulation properties. The experimental results provide a better understanding of the relationship between the formulation of lightweight aggregate concrete and the mechanical performance to insulating capacity ratio. Based on some experimental measurements, numerical modeling is carried out in order to identify the thermal properties (thermal conductivity, specific heat) and mechanical properties (Young's modulus, fracture strength) of lightweight aggregates (gravel and sand) which are difficult to measure experimentally. Homogenization methods for two phase materials are used for this purpose. By knowing the thermal and mechanical properties of different components, the predictive modeling of the macroscopic behavior of lightweight concrete can be developed from homogenization schemes for multi-phase polydisperse materials. The analytical methods developed are validated by comparison with experimental measurements for the different families of lightweight aggregate concrete studied. They will eventually alleviate the costs and delays of the experimental analysis. The heat transfer over a year through the building envelope made of lightweight concrete is modeled in order to quantify the improvement in thermal performance of lightweight aggregate concrete compared to normal concrete.

Dans un bâtiment, les déperditions thermiques proviennent de diverses parties opaques (mur, toit et plancher) qui peuvent contenir du béton. Il est donc intéressant d'envisager des formulations de béton de structure avec des propriétés d'isolation thermique améliorées. L'utilisation de granulats légers, qui possèdent de bonnes propriétés thermiques grâce à leur structure poreuse, peut être une solution pour améliorer la capacité d'isolation des éléments en béton. Cette technique d'isolation répartie peut permettre d'éviter des dispositifs constructifs lourds tout en répondant aux exigences de la RT 2012. La présente étude a pour objectif d'optimiser le couple performance mécanique - capacité isolante des bétons de granulats légers. Elle repose sur une double approche expérimentale et numérique.Les bétons de granulats légers ciblés ont une masse volumique inférieure à 1500 kg/m3 et une résistance en compression supérieure à 25 MPa. L'influence de la nature des granulats légers, du taux de substitution du sable alluvionnaire par du sable léger, du rapport E/C et de l'ajout de fumée de silice sur les performances mécaniques et thermiques des bétons est étudiée afin de proposer des formulations adéquates pour une large gamme d'usage structurel. Le module d'Young, la résistance en compression, la conductivité thermique et la diffusivité sont mesurées sur 25 formulations de bétons de granulats légers. Le comportement thermique de ces différents bétons en fonction de facteurs climatiques, comme la température et le degré d'humidité est aussi examiné afin d'optimiser leurs propriétés d'isolation thermique. L'ensemble des résultats expérimentaux permet une meilleure compréhension de la relation entre la formulation des bétons de granulats légers et leur rapport performance mécanique / pouvoir isolant. En s'appuyant sur certaines mesures expérimentales, des modélisations numériques reposant sur des techniques d'homogénéisation permettent d'identifier des propriétés thermiques (conductivité thermique, chaleur spécifique) et mécaniques (module d'Young, résistance à la rupture) des granulats légers (gravillons et sables) difficilement mesurables expérimentalement. Connaissant les propriétés thermiques et mécaniques des différents constituants, des modélisations prédictives des comportements macroscopiques des bétons légers sont développées à partir de schémas d'homogénéisation pour des matériaux multi-phases polydisperses. Les outils développés sont comparés et validés par confrontation aux mesures expérimentales pour les différentes familles de bétons de granulats légers étudiés. Ils permettront par la suite d'alléger les coûts et délais des campagnes expérimentales de mise au point des formulations. La modélisation, sur une année, des transferts thermiques à travers une enveloppe de bâtiment en béton de granulats légers permet de quantifier l'amélioration des performances thermiques des bétons de granulats légers par rapport à un béton classique.

Les bétons auto-plaçants (BAP) sont des bétons spéciaux, très maniables, homogènes et stables qui se mettent en place sous le seul effet de la gravité. Grâce à leurs nombreux avantages, les bétons auto-plaçants (BAP) sont aujourd'hui considérés comme étant l'une des innovations les plus marquantes des deux dernières décennies dans le domaine du béton. Plus de 50 % des produits à démoulage différé sont réalisés en BAP. Parallèlement, les bétons légers sont maintenant intégrés dans le contexte normatif et leur utilisation dans l'industrie est croissante du fait notamment de la nouvelle réglementation thermique pour les bâtiments. Ce contexte ouvre la voie aux bétons auto-plaçants légers (BAPL) dont l'utilisation constitue une solution innovante pour répondre encore mieux, aux problématiques de légèreté, d'efficacité énergétique des bâtiments et de productivité. Cependant, la différence de densité entre les granulats légers et la pâte d'une part et le pouvoir absorbant des granulats légers d'autre part, compliquent davantage la formulation et la production des bétons auto-plaçants légers. De plus, les méthodes existantes qui sont pour la plupart empruntées aux méthodes de formulation de BAP traditionnels restent empiriques.Cette thèse vise donc la mise au point d'une méthode de formulation plus rationnelle pour composer des bétons auto-plaçants légers et durables. Cette approche de formation des BAPL est construite autour d'un ensemble de données cohérent dont l'indice de serrage de l'empilement et sur la quantification expérimentale des phénomènes tels que l'absorption dans la pâte de ciment et la ségrégation. A partir de cette méthode, différentes gammes de BAPL sont proposées pour répondent aux critères du cahier des charges en termes de masse volumique réelle sèche et de résistance à la compression. Sa mise en œuvre a permis de simuler et de réaliser des formules de bétons auto-plaçants légers de sable normal (BAPLSN) de classes d'étalement allant de SF1 à SF3, de classes de masse volumique D1.8 et D2.0 et de classes de résistance allant de LC35/38 à LC50/55. Elle a également permis d'explorer les bétons auto-plaçants légers de sable léger (BAPLSL) qui peuvent constituer une solution innovante pour l'industrie du béton dans le contexte de la nouvelle réglementation thermique pour les bâtiments. / Self compacting concrete (SCC) is generally known as the concrete capable of filling up the given structure only using its self weight without any need for vibration and compaction during pouring process. On the other hand, the structural lightweight concrete (LWC) has emerged due to its lightness and all the advantages related to lower thermal insulating characteristics. The two materials open way to the lightweight self compacting concrete (LWSCC) in order to combine the favorable properties of LWC with those of SCC.However, the difference in density between the lightweight aggregate and cement paste complicate the mix design and production of LWSCC. Furthermore, existing mix design methods which are mostly borrowed from SCC design methods are empirical. Therefore, this thesis aims to develop a rational mix design method for suitable lightweight self-compacting concrete. This approach is built around a set of coherent data whose compaction index of granular skeleton and on the experimental data such as water absorption in the cement paste and segregation. From this method, different ranges of LWSCC are proposed to meet the requirements of the specification in terms of dry density and compressive strength. Its implementation was used to simulate and formulate LWSCC of workability classes from SF1 to SF3, density class from D1.8 to D2.0 and resistance class from LC35/38 to LC50/55. The mix design method also explored the total lightweight self compacting concrete (TLWSCC) that may constitute an innovative solution for the concrete industry in the context of the new thermal regulations for buildings

L'accumulation des sédiments au fond des cours d'eau et des ports pose un problème économique et environnemental. En effet, les particules les plus fines fixent une contamination à la fois organique (HAP, PCB, hydrocarbures) et inorganique (métaux lourds). Une législation de plus en plus sensible à la protection de l'environnement réglemente désormais le dragage et le relargage des sédiments. La société Solvay a mis au point un procédé de traitement baptisé Novosol®, basé sur l'immobilisation des métaux lourds par phosphatation et sur l'élimination des matières organiques par calcination.<br />La valorisation des sédiments traités comme granulat de substitution dans les matériaux à matrice cimentaire fait l'objet de ce travail de thèse.<br />La caractérisation de ces granulats a révélé une porosité et une absorption d'eau très élevées. Constitués par l'agglomération de particules plus fines ils se révèlent friables. Cependant, utilisés en substitution d'un sable de Seine classique pour la confection d'un mortier, l'étude expérimentale de valorisation a montré des gains de résistance à la compression uniaxiale, et ce, même pour une substitution complète du sable. Ces gains ont été attribués au phénomène de cure interne, à l'amélioration de l'interface pâte granulat ainsi qu'à un effet filler. Cela pourrait également expliquer la réduction observée de la perméabilité au gaz. La déformabilité des granulats conduit toutefois à un retrait de dessiccation élevé. Une formulation appropriée permet également l'obtention d'un matériau durable vis-à-vis, notamment, du gel/dégel ou de l'exposition à l'eau de mer.<br />La valorisation dans les matériaux cimentaires est donc envisageable.