Les mortiers colles (prêts à l’emploi) sont caractérisés par une formulation très complexe mettant en contribution plusieurs constituants. En plus des constituants de base (ciment, chaux, différents sables…), des adjuvants d’origine minérale et/ou organique sont souvent ajoutés. Ces derniers permettent de répondre à un certain nombre d'exigences liées essentiellement à la mise en place de ces matériaux. En effet, lors de l’application d’un mortier colle le produit doit adhérer au support, mais pas à l’outil. En se basant sur les normes actuelles, les propriétés adhésives des mortiers colles sont mesurées au jeune âge mais jamais à l’état frais. Or l’encollage s’effectue généralement dans un temps dit ouvert relativement court (quelques heures) qui dépend du type du mortier colle utilisé. Il est donc nécessaire de s’intéresser à l’évolution des propriétés adhésives à l’état frais ainsi qu’à celle des propriétés rhéologiques. Pour caractériser le comportement rhéologique d’un mortier colle, en régime quasi statique, il faut utiliser une loi de comportement à trois paramètres comprenant un seuil d’écoulement, une viscosité et un indice de fluidité. L’aspect collant du mortier peut être caractérisé en identifiant trois forces caractéristiques : force d’adhérence (par rapport au support), force d’adhésion et enfin la cohésion du matériau. L’objectif de cette de thèse est de déterminer le rôle que jouent différents adjuvants d’origine organique (Ethers de Cellulose, Résines) et/ou minérale (argiles) sur les propriétés de mise en place des mortiers colles, notamment leurs propriétés adhésives et leur comportement rhéologique. / Nowadays, with the development of the construction industry, mortars are produced in factory by specifically designed dry-mix plants, in which mineral binders and aggregates are mixed together in the appropriate way. These dry-mix mortars (ready to use) are characterized by a very complex formulation involving various constituents. In addition to the basic components (cement, lime, sand), different additives and admixtures are often added in the mortar formulations to improve their characteristic and to achieve different technical properties. Indeed, when applying an adhesive mortar, the product must adhere to the application support instead of to the working tool. Depend on their application purposes, the usage of these additives and admixtures must be fully investigated in order to observe the most effective contributions. Based on current standards, the adhesive properties of cement-based mortars are often measured at the early age. However the adhesive properties of mortar is usually said to be open in a relatively short duration (several hours) depending on the type of the mortar used. It is therefore necessary to examine the evolution of adhesive properties in the fresh state as well as the rheological properties with the variation of polymer concentrations. An adhesive mortar in fresh state can be considered as a granular suspension in a complex fluid. The study of the rheological behavior of such materials involves the rheology of complex fluids, including granular suspensions, colloidal dispersions, etc. Many scientific questions still exist in this domain, for example: the problem of shear localization and interpretation of the corresponding rheological measurements. The investigation of these problems in the variation of different types of additives and admixtures help answer these questions. To characterize the rheological behavior of an adhesive mortar, in quasi-static regime, we use a three-parameter behavior law that includes a yield stress, a viscosity coefficient and a fluidity index. The adhesiveness of the mortar can be characterized by identifying the evolution of the adhesive force, the cohesive stress and the adherence force. The objective of this thesis is to determine the roles of various additives of organic origin (cellulose ethers, re-dispersible resins powders) and/or mineral (clays, silica fume, etc.) on the fresh state properties of these mortars, including their adhesive properties and rheological behaviors.

L'étude vise à mieux comprendre l'influence du rapport E/C (eau sur ciment), de l'ouverture de la fissure, de l'âge de la fissuration et de la fréquence des mesures sur la cinétique et les mécanismes à l'origine de la formation des produits de cicatrisation dans le volume d'une fissure. Trois types de mortiers (E/C = 0,35, 0,45 et 0,60) ont été soumis à une fissuration contrôlée à 28 jours et à 6 mois, à l'aide d'un coeur expansif. Pour chaque type de mortier, trois catégories de fissures ont été créées (50 [micro]m « 15 [micro]m, 105 [micro]m « 15 [micro]m, 220 [micro]m « 40 [micro]m). La cinétique de l'autocicatrisation est évaluée à l'aide d'une cellule de perméabilité qui permet de mesurer l'évolution, au cours du temps (2 types des mesures : 1, 3 et 5 mois de conservation à 23[degrés]C et 100% H.R. et 5 mois de conservation dans les mêmes conditions), du débit d'air dans le volume d'une seule fissure.L'autocicatrisation a été quantifiée par ses effets sur les débits relatifs et les ouvertures apparentes relatives exprimées en pourcentage des valeurs initiales mesurées immédiatement après la fissuration. Les ouvertures et les débits relatifs baissent très rapidement durant le premier mois, mais la baisse subséquente (entre 1 et 5 mois) est beaucoup plus faible. Les résultats ont montré que le rapport E/C et l'ouverture initiale de fissure avaient un effet relativement faible sur la quantité de produits d'autocicatrisation dans la fissure. Les effets de l'autocicatrisation sur la baisse du débit d'air sont plus marqués pour des petites fissures (< 105 [micro]m).L'âge de la fissuration et la fréquence des mesures ont un effet relativement faible sur la cinétique d'autocicatrisation, à part pour des grosses fissures (>220 [micro]m). Pour ce type de fissure, l'autocicatrisation est plus importante quand l'âge de la fissuration augmente et que la fréquence des mesures diminue. La refissuration de certaines éprouvettes a permis de montrer qu'une fissure autocicatrisée a encore un potentiel de cicatrisation après une deuxième fissuration. Un MEB (microscope électronique à balayage) a été utilisé pour analyser les produits d'autocicatrisation à 5 mois. Les observations au MEB ont montré la présence de calcite, d'ettringite, de chaux et de C-S-H et ont confirmé que la carbonatation était le mécanisme principal de l'autocicatrisation des mortiers étudiés.

L’industrie du ciment fait face aujourd’hui à un problème environnemental majeur dû aux émissions de CO[indice inférieur 2] lors de la production du clinker du ciment Portland (CP). Bien que des efforts soient faits pour minimiser cet impact négatif sur l’environnement par l’utilisation de sous-produits industriels lors de la fabrication du clinker ou en remplacement partiel du ciment pendant la conception du béton, le crédit carbone reste toutefois élevé. Une des solutions est de remplacer totalement le CP par une nouvelle génération de liants minéraux connus sous le nom de géopolymères qui possèdent des propriétés similaires au CP. Ces liants sont obtenus par l’activation alcaline de matériaux siliceux ou aluminosilicates. C’est dans cette optique qu’une étude basée sur l’activation de la poudre de verre provenant du verre mixte recyclé a été initiée. Il s’agit donc dans cette étude d’optimiser une formulation de poudre de verre activé pour la conception de béton écologique. Cependant, la poudre de verre étant un silicate alcalin, le liant issu de son activation est instable du fait de la teneur élevée en alcalis qui ont tendance à lixivier. Pour stabiliser les alcalis, il a été nécessaire d’ajouter du métakaolin qui a une bonne aptitude de fixation des alcalis. En raison de la grande finesse du métakaolin, son addition augmente considérablement la demande en eau des mélanges et les superplastifiants à base de polycarboxylate se sont avérés inefficaces permettant seulement l’utilisation de teneurs en MK inférieures ou égales à 8%. Par ailleurs, la teneur élevée en alcalis permet l’utilisation de solution de NaOH modérément concentrée ([NaOH]≤ 8M). Aussi, ce type de système nécessite une activation thermique à 60°C pendant au moins 2 jours suivie de la maturation des échantillons à 20°C et 50% d’humidité relative. En effet, une cure normale à 100% d’humidité relative entraine une forte lixiviation des alcalis. Dans cette étude d’optimisation, plusieurs variables influencent donc le système étudié dont les plus importants sont, entre autres : • Le temps et la température de l’activation thermique ainsi que les conditions de cure ou de maturation (température et humidité) qui sont indispensables pour contrôler la cinétique de la réaction de géopolymérisation et donc des performances mécaniques des mortiers. • La teneur en métakaolin, matériau qui a permet de fixer les alcalis à l’intérieur de la matrice géopolymère en empêchant leur lixiviation avec une amélioration progressive des performances mécaniques du mortier. • La concentration en NaOH est une des variables les plus importantes affectant le processus de géopolymérisation. Du fait de la présence d’une teneur élevée en alcalis dans le verre, son activation nécessite une concentration modérée en NaOH. Les conditions optimales d’essais ainsi définies ont permis d’élaborer des bétons à base de poudre de verre présentant des performances mécaniques satisfaisantes (20 MPa à 28 jours). Les analyses minéralogiques, microstructurales et thermiques ont permis l’identification de deux types de gels lorsque la poudre de verre est activée en présence de métakaolin : du gel C-S-H et du gel N-A-S-H. Le processus de géopolymérisation qui se déroule en plusieurs étapes, dont la dissolution, la polymérisation et la condensation-réorganisation a pu être mis en évidence par des analyses calorimétriques.

L'objectif de cette thèse est d'identifier à l'échelle locale les phénomènes physiques et chimiques liés aux variations volumiques afin de prévoir le risque de fissuration sur une géométrie d'enduit donnée. À l'échelle de la structure, l'essai à l'anneau semi-rigide permet de reproduire en laboratoire les conditions thermo-hydro-mécaniques réelles imposées au mortier lors de son état de service. Ainsi, les couplages entre les phénomènes peuvent être identifiés de manière expérimentale. Une campagne expérimentale sur deux mortiers industriels a permis d'adapter et de valider l'essai pour les couches minces. Par ailleurs, un outil comparatif simple est proposé afin d'identifier les déformations non-linéaires liées au fluage et à la microfissuration du matériau. Dans un second temps, des investigations ont été menées afin de caractériser l'effet de paramètres de formulation, de la carbonatation et du temps de démoulage sur un mortier modèle. Ces études ont révélé la prédominance du couplage hydratation/séchage sur l'évolution des contraintes et la macro-fissuration du mortier. La dernière partie du travail concerne le développement d'un modèle éléments finis multi-échelles qui permet de prévoir les évolutions des propriétés hydriques, physiques et mécaniques du matériau. À travers celui-ci, nous proposons une nouvelle représentation de la distribution poreuse du mortier basée sur une somme de trois sous-distributions comprenant la porosité des C-S-H internes et externes et la porosité capillaire. Une nouvelle loi dite d'hydroactivation est également utilisée pour traduire l'interaction entre hydratation et dessiccation. Le modèle est implanté dans le code de calcul Castem2001.

La méthode des éléments finis est une méthode de modélisation des systèmes, utilisée dans l’ensemble des domaines de la physique ainsi que dans l’ingénierie. Elle permet d’obtenir des résultats précis. Cependant la nécessité de modéliser des systèmes de plus en plus complexes, avec une précision de plus en plus grande, demande une puissance de calcul qui n’est pas toujours disponible. Il est ainsi nécessaire, afin de résoudre ces problèmes, de trouver des méthodes de calcul permettant de conserver cette précision, mais de réduire le temps de calcul.Une solution pour tenter de palier à ce défaut est de décomposer le problème complexe initial en plusieurs sous-problèmes, maillés indépendamment, et entre lesquels il est nécessaire de coupler les solutions. Quelques méthodes permettant de recoller ces maillages sont étudiées dans ce présent mémoire. Elles sont présentées ainsi que quelques outils liés, tels que des méthodes de résolution, et des fonctions de formes plus adaptées à leur utilisation. Il est montré, à travers ces travaux, qu’il est tout à fait possible de recoller les maillages en électrotechnique, et par là d’obtenir des résultats intéressants en terme de précision, et de qualité de solution. Cependant, les méthodes de résolution utilisées ici n’ont pas permis d’obtenir des temps de calculs satisfaisants pour les cas étudiés. / The finite element method is used to model complex systems in all the physics and engineering. This method has a good accuracy. Because of the complexity of the systems, and the require precision, this method need a very large computing capacity, which is not always available. Consequently it is necessary to find calculation methods which allow preserving the accuracy, and reducing the computation time.One way to solve this situation is to decompose the complex problem in several sub-problems, with non-connecting meshes, and reconnect them. Some methods used to reconnect are developed in this work, with some tools, like resolution methods, and new shape functions necessary for this configuration of non-connecting meshes. This work shows the possibility of those methods: they reconnect the different meshes, conserve the accuracy and the quality of the solution. But the solving methods used here do not reduce consequently the computation time.

Dans le béton, la technique d'émission acoustique (AET) est utilisée pour caractériser les différents modes de fractures dans poutres en flexion par la méthode RA (décrite dans les recommandations du comité RILEM TC 212 ACD). D'une part, la RILEM conclut que les signaux d'EA générés à partir du mode de traction (mode I) présentent une amplitude plus faible et une fréquence plus élevée que ceux du mode de cisaillement (mode II). De plus, dans les résultats les plus récents obtenus par des essais de flexion, les auteurs ont conclu que les fissures commencent par le mode d'endommagement I, alors que le mode II apparaît juste avant la rupture finale des éprouvettes. Cependant, aucune règle spécifique pour déterminer les valeurs de RA et AF caractéristiques de chaque type de fissure n'est donnée par la recommandation RILEM. D'autre part, la méthode de classification RA est déterminée par deux paramètres qui sont la valeur RA (temps de montée par amplitude) et la valeur AF (fréquence moyenne) sans tenir compte de la position des capteurs par rapport à l'emplacement des fissures. Dans cette thèse il a été démontré que la distance entre le capteur et la source des événements affecte les deux paramètres RA et AF de façon très significative. Dans cette thèse, différents types d'essais mécaniques (flexion trois points, cisaillement induit en flexion ou en compression et traction axiale) ont été réalisés sur des éprouvettes à base de ciment (béton, mortier et pâte de ciment) pour favoriser le mode traction et/ou cisaillement. Les données brutes d'émission acoustique (AE) ont été filtrées pour éliminer les signaux liés aux différentes sources de bruit. Ensuite, l'algorithme k-means, en tant que méthode d'analyse de reconnaissance de forme (PRA), a été utilisé pour identifier les similitudes dans les signaux enregistrés, essayé de déduire les caractéristiques de la source et classifier les signaux. Le regroupement des résultats par la méthode k-means s'est avéré efficace en fournissant des informations sur RA, AF, temps de montée, durée et énergie absolue (ABEN) liées au mode I et au mode II. Ensuite, deux techniques de classification des dommages ont été proposées, dans lesquelles la méthode RA était appliquée aux signaux filtrés, soit sur la base de l'ensemble des signaux, soit en appliquant une moyenne glissante. L'emplacement de la droite de démarcation entre mode I et mode II a été définie et ainsi la proportion des modes I et II a été spécifiée. Enfin, l'évolution des signaux d'EA par rapport à la distance de déplacement a été clarifiée en menant des expériences sur des blocs de béton et de mortier. La conclusion est que les capteurs qui sont plus éloignés de la source ont reçu des valeurs RA plus élevées que les plus proches. Il est donc possible de faire une mauvaise interprétation de l'origine de signaux RA élevés et de les classer ainsi en mode II, alors qu'ils ont été générés à partir du mode I. En outre, la forme en rafale des signaux d'EA doit être distinguée des autres formes d'onde provenant d'autres sources (vibrations mécaniques dues au système de chargement, bruit électromagnétique, etc.), en particulier lors phases finales des essais. Ces formes d'ondes exceptionnelles ont une valeur RA significativement plus élevée que celles des signaux d'EA, de sorte que les utilisateurs peuvent être induits en erreur en les associant à des dommages dus au cisaillement. / In concrete, Acoustic Emission Technique (AET) has been used to characterize the different fracture modes in flexural beams by RA method (described in RILEM TC 212 ACD recommendation). On the one hand, the RILEM concludes that AE signals which are generated from tensile mode (mode I) exhibit lower Amplitude and higher Frequency than those from shear mode (mode II). Moreover, in the most recent bending tests, authors concluded that the cracks begin with the damage mode I, whereas the mode II just appears before the final failure of specimens. However, no specific rule to determine the typical RA and the AF value associated with each crack type is given by the RILEM recommendation. On the other hand, RA classification method is determined by two parameters which are the RA (Rise-time per Amplitude) and the AF (Average Frequency) value without considering the position of the sensors in conjunction with location of the cracks. In this thesis it was demonstrated that the distance from the sensor to the source of events significantly affects both RA and AF parameters. Different types of mechanical tests (three-point-bending, flexural-induced shear, compression-induced shear and uniaxial tensile) have been conducted on cement-based specimens (concrete, mortar and cement-paste) to promote tensile mode and/or shear mode in these specimens. Acoustic Emission (AE) raw data were filtered to remove noise from signals. Then, k-means algorithm, as a Pattern Recognition Analysis (PRA) method, was used to identify the similarities within the recorded signals, to deduce the characteristics of the source mechanism and to classify the filtered-signals into groups. Clustering results by k-means according to a proposed process have proven efficiency in providing information on RA, AF, Rise-time, Duration and Absolute Energy (ABEN) related to mode I and mode II. Then, two damage classification techniques were used, in which RA method was applied to filtered signals. By these techniques, the proportion of mode I and II was specified and the location of demarcation line also fixed. Finally, the evolution of AE signals versus travelling distance has been clarified by conducting the experiments on concrete and mortar blocks. The conclusion showed that sensors which have further distance from the source gave higher RA values than the nearer ones. Therefore, users may be confused about the original source of high RA signals and to classify them to mode II, while actually they were generated from mode I. Furthermore, the burst-shape of AE signal waveforms must be distinguished from other waveforms that may results from other sources (mechanical vibration due to the loading system, electromagnetic noise and etc.), especially at the final periods of the tests. These exceptional waveforms have significant higher RA value than those in AE signals, thus users may mislead that they were born from shear damages. In addition to three-point-bending tests, based on the variation of the elastic modulus of the material and the released AE energy, the relation of the Damage variable and Index Damage was established. And, to assess the degree of damage versus loading in concrete beams, Kaiser's effect was observed and the CALM ratio and LOAD ratio were proposed. Thirdly, aiming to examine the influences of the material inhomogeneity (e.g. aggregate) to the shapes of waveform of AE signals, the Cross-Correlation (CC) value have been implemented to three specimens as concrete, mortar and cement-paste beams. As conclusion, although coming from the same event, the waveforms of signals that obtained at different sensors which are placed at different distances were quite incompatible and the further sensors produced higher RA value than the nearer ones. This phenomenon reaffirms the increase of RA values as the signal travelling paths increase.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 163-168.

La réutilisation et la valorisation de débris de démolition sont un enjeu très important pour l’industrie de la construction, particulièrement au Canada où un grand nombre d’infrastructures arrivent à la fin de leur cycle de vie. Bien que les débris de démolition soient déjà utilisés dans la construction de sous fondations de routes, ceux-ci sont très peu utilisés dans la confection de nouveaux bétons. Ce projet de recherche vise à évaluer le potentiel d’utilisation d’un matériau recyclé à base de débris de démolition dans la confection de nouveaux bétons de résistance moyenne destinés à la construction résidentielle. Le matériau recyclé utilisé dans le cadre de cette étude est un matériau de classe MR-2, composé en majorité de résidus de béton concassé. Cette étude consiste en l’analyse des propriétés des granulats de béton recyclés ainsi que leur impact sur les propriétés des bétons dans lesquels ils sont utilisés en remplacement des granulats naturels. En plus des essais classiques tels que l’analyse granulométrique, la mesure de la masse volumique, de l’absorption et l’essai Los Angeles, la caractérisation des granulats recyclés à permis de mesurer la teneur en mortier résiduel ainsi que la vitesse d’absorption. Les résultats de cette phase ont permis d’adapter la méthode de préparation des bétons confectionnés lors de l’étude paramétrique sur béton. En effet, lors de la confection des bétons, une période de pré-saturation des granulats a été ajoutée au protocole de malaxage afin de minimiser l’impact de la grande porosité des granulats recyclés sur les propriétés à l’état frais du béton. Dans le cadre de l’étude paramétrique, des formulations de béton ayant des rapports eau/liant (E/L) de 0,55 et 0,65 ont été préparées à des taux de remplacement des granulats naturel par des granulats recyclés variables. La résistance à la compression, la résistance à la traction, la résistance à la flexion et le module d’élasticité ainsi que les propriétés de durabilité, notamment, la perméabilité aux ions chlores, le retrait de séchage, la résistance au gel-dégel et la perméabilité à l’eau ont été évaluées pour les mélanges de bétons confectionnés. Les travaux de cette phase ont permis de quantifier l’impact des différents taux de remplacement sur les propriétés des bétons. Bien que le remplacement du granulat naturel par un granulat recyclé ait généralement un impact négatif sur certaines propriétés du béton, il est possible de minimiser ou même d’éliminer celui-ci en optimisant le taux de remplacement. En effet, cette étude a démontré qu’un taux de remplacement de 20% ou même de 35% dans certains cas ne cause pas ou très peu d’impacts négatifs sur les propriétés du béton.

L'étude expérimentale présentée vise à étudier l'effet de la température sur le comportement hydraulique et poromécanique d'un calcaire. de nombreux essais (mesures de porosité et de perméabilité, essais de compressions uniaxiales et hydrostatiques) ont été menés afin d'évaluer l'influence des cycles thermiques et donc de la microfissuration thermique sur le comportement de la roche. En parrallèle, un dispositif de mesure de la perméabilité sous températures élevées (jusqu'à 200°C) a été conçu, permettant ainsi d'évaluer directement la variation de la perméabilité du calcaire sous sollicitations thermiques. Par la suite, notre étude a été étendue au cas des matériaux cimentaires, l'objectif étant d'analyser l'effet de la température sur la perméabilité d'un mortier normalisé.

Près de la moitié des réparations réalisées sur les ouvrages en béton se concluent par un échec prématuré. Cela se traduit principalement par le décollement de la couche réparatrice, dû à un manque d'adhérence de cette couche sur le support dégradé, et par la corrosion des armatures métalliques de la structure. C'est ainsi que l'Europe consacre la moitié du budget alloué à la construction à la réhabilitation des ouvrages. Deux types de produits de réparation sont principalement proposés sur le marché, les mortiers hydrauliques et les mortiers modifiés par des polymères. Les propriétés intrinsèques de ces produits sont connues mais peu d'études portent sur l'évolution de ces propriétés à long terme, notamment lorsque les matériaux sont appliqués sur un support en béton dégradé. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre l'influence de la présence de polymère dans les mortiers sur la durabilité des réparations des ouvrages d'art en béton. Pour mener à bien cette étude, des mortiers modifiés de formulation connue et contrôlée ont été préparés en laboratoire à partir de l'analyse de la composition de plusieurs produits de réparation commerciaux. Les propriétés intrinsèques à l'état frais et durci de ces deux types de matériaux ont été analysées, en s'intéressant notamment à l'influence de la nature et de la teneur en polymères et à l'influence de la cure appliquée sur ces matériaux. L'augmentation de la quantité de polymère entraîne l'accroissement des propriétés mécaniques des mortiers. Cet effet est surtout visible en flexion car les polymères viennent renforcer l'interface granulat-liant. La cure des mortiers à 40°C permet d'améliorer leurs performances mécaniques et de diminuer leur porosité car dans ces conditions, la formation de films de polymère entremêlés aux hydrates de ciment est favorisée. Un essai a également été développé pour mesurer l'adhérence des mortiers sur un support représentant le béton à réparer. L'influence de la présence de polymère et de l'état de surface du support sur l'adhérence a été analysée, ainsi que l'évolution de l'adhérence pendant la conservation des éprouvettes dans des environnements différents. Ces essais ont permis de montrer que l'addition de polymère permettait d'augmenter l'adhérence des mortiers contenant des polymères par rapport aux mortiers non-modifiés. Après trois mois de durcissement, l'adhérence maximale est obtenue à partir de 10% de polymère. L'augmentation de la rugosité et la saturation en eau du support n'ont pas entraîné d'augmentation de l'adhérence par rapport aux surfaces sèches et planes. Comme pour les propriétés intrinsèques des mortiers modifiés, une cure à 40°C permet d'améliorer l'adhérence alors qu'une immersion dans l'eau est défavorable. Enfin, le risque de corrosion des armatures enrobées de mortiers modifiés a été étudié en caractérisant les propriétés électrochimiques des aciers ainsi que les propriétés de transfert d'espèces agressives dans les mortiers. L'addition de polymères dans les mortiers renforce la protection des armatures métalliques grâce à leurs propriétés d'isolant électrique. Dans la plupart des cas, ils limitent également la diffusion du CO2 et des ions chlorure dans le matériau