Academic literature on the topic 'Ciment à base de laitier'

For each tonne of cement used, the cement industry emits an average of 0.9 t of CO2, which contributes to the greenhouse effect. To satisfy the demands of the concrete industry for cementing materials, new environmental requirements, and the implementation of a sustainable development policy, the use of supplementary cementitious material as a replacement of part of the Portland cement has proven to be an interesting avenue that has not yet been fully explored. Granulated blast-furnace slag has been and is being used as a supplementary cementitious material in replacement of cement in many countries. In Canada, its proportion is usually limited to 20-25% of cement replacement owing to a significant decrease in early age compressive strength as well as a lower scaling resistance. In this study, we have tried to show that by reducing the water:cement ratio we can increase cement replacement by slag up to 50% without harming its short-term compressive strength and scaling resistance. The concretes that were prepared had a workability comparable to that of the reference concrete without slag, sufficient compressive strength to allow demoulding after 24 h, very low chloride ion permeability even at 28 d, as well as very good freeze-thaw and scaling resistance, as long as it is water-cured for a slightly longer period.Key words: high-performance concrete, blast-furnace slag, sustainable development, superplasticizers, workability, durability, silica fume.

The prediction of concrete strength has become a major concern that is forcing the construction industry to look closely at determining the appropriate time when to strip the form work or to apply prestress forces to new concrete. Normal concrete has different constitutions and can be subjected to different curing methods depending on the means available. Its characteristics are defined by the presence of mineral additives used to improve its efficiency. This has led us to establish a work plan to predict the strength of slag concrete, tested at different temperatures, from the data obtained from some control specimens of normal concrete, made only from clinker and subjected to a constant temperature of 20°C. The slag material was obtained from El-Hadjar (Algeria).Key words: slag, activation, temperature, finesse, thermal treatment, prediction, equivalent time, mortar, compression, cement, additives.

Le comportement mécanique des bétons renforcés de fibres naturelles dépend principalement de l’adhérence entre la fibre et la matrice de ciment. Cette adhérence a aussi une certaine influence sur le type d’endommagement de ces matériaux. Cette recherche a été menée sur des fibres naturelles de lecheguilla (Agave lecheguilla). Des essais chimiques, physiques et mécaniques tels que la détermination de la composition chimique, la morphologie, la porosité, l’absorption d’eau et les résistances à la traction et à la flexion ont été réalisés en utilisant ces fibres naturelles. Des observations à l’interface fibre–matrice de ciment ont aussi été effectuées à l’aide du stéréoscope pour évaluer l’effet du milieu alcalin et de différents rapports eau/ciment (E/C) sur la performance de mortier fibré. On a constaté que la résistance mécanique à la traction et à la flexion du matériau composite augmente, d’une part, avec l’augmentation de la longueur et, d’autre part, avec la diminution du volume de fibres utilisé. Le principal type de défaillance observée est l’arrachement des fibres. De plus, l’adhérence entre les fibres et la matrice de ciment est modifiée par les changements volumétriques et l’absorption d’eau relativement élevée. Néanmoins, cette adhérence peut être substantiellement améliorée en faisant un traitement superficiel des fibres à l’aide de solutions chimiques, comme le xylène, et en utilisant des faibles rapports E/C.

During summer, it is possible to inject Portland cement grout in the Arctic because there is a layer of unfrozen rock surface which is approximately 2 m deep. During the month of August, the temperature of the unfrozen rock layer reaches +5 °C at a depth of 1 m, which allows the Portland cement to harden in good conditions and to acquire its full strength.After 7 days, the mean shear strength to failure at the rod–group contact, determined when the anchorages were pulled out, was 10 MPa. After 1 year, this strength was close to 20 MPa. These results are similar to those recorded in Sherbrooke for the same grout formulas. Key words: anchorage, cement grout, rock, Arctic, tearing off. [Journal translation]

L’objectif principal de ce travail est d’étudier l’impact des traitements au ciment, à la chaux ou avec des argiles, des sols compactés sur leurs caractéristiques d’érosion interne. Un nouveau dispositif d’étude de l’érosion interne modifié et amélioré a été conçu pour quantifier les effets de différents traitements sur l’évolution de la résistance à l’érosion interne du limon de Saint-Quentin compacté. Les résultats montrent que l’impact des différents traitements sur les caractéristiques d’érosion de ce limon se traduit principalement par une augmentation de la contrainte critique. Cette augmentation est plus grande avec l’augmentation du dosage, et dans le cas du traitement au ciment. De plus, pour les traitements avec la chaux et le ciment, la contrainte critique tend à augmenter avec le temps de cure. Par ailleurs, le coefficient d’érosion est affecté uniquement par le traitement à la bentonite dans le cas d’utilisation d’un grand dosage de traitement.

La présente étude s’inscrit dans le programme d’actions de l’Industrie du béton ; elle a pour but de rechercher des solutions innovantes de béton à faible impact environnemental qui permettent l’obtention de performances techniques et économiques au moins équivalentes à celles des bétons traditionnels. Pour répondre à cet enjeu, l’étude de liants ternaires constitués de ciment Portland CEM I, laitier de haut fourneau et addition calcaire a été réalisée en optimisant les moyens disponibles en préfabrication pour accélérer leur durcissement : emploi d’un traitement thermique, utilisation d’activateurs chimiques et optimisation de la compacité du mélange. Le traitement thermique s’avère être le plus puissant levier d’action. Les solutions développées (matériau et procédé) permettent d’obtenir un bilan économico-environnemental meilleur que celui d’un béton témoin dont le liant est uniquement composé de ciment Portland CEM I
This study is part of the action program of the french concrete industry; it aims finding innovative solutions of concrete with low environmental impact, which allow to get technical and economic performances at least equivalent to those of the traditional concretes. To answer this issue, the study of ternary binders, made of Portland cement CEM I, blast furnace slag and limestone addition, was realized by optimizing the means that are available in precast industry to accelerate their hardening: use of a thermal treatment, use of chemical activators and optimization of the mixture’s compactness. Thermal treatment proves to be the most powerful lever of action. The developed solutions (material and process) obtain a much better economic-environmental balance compared to a control concrete whose binder is composed of Portland cement CEM I

A l’heure actuelle où la préservation de notre environnement est primordiale, les constructions en béton font intervenir de plus en plus des ciments comprenant des ajouts minéraux, tels que le laitier, les cendres volantes… En effet, la production des ciments composés permet de réduire le dégagement des gaz à effets de serre et de réutiliser des déchets industriels. Les bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau (CEM III) sont également largement utilisés suite à leur bonne résistance aux réactions alcali-silices, à la diffusion des chlorures et aux attaques sulfatiques… Cependant, certains ouvrages construits avec ce type matériau ont présenté au jeune âge des problèmes de fissuration liés à la restriction de leurs déformations différées, telles que le retrait endogène, thermique et de dessiccation. Suite à cette observation, des essais préliminaires ont été réalisés au laboratoire du service BATir de l’Université Libre de Bruxelles. Ils ont mis en avant plusieurs caractéristiques du comportement de ces matériaux :

1. Lors du suivi du retrait restreint à l’aide de l’essai à l’anneau en condition de dessiccation, le béton formulé à base de ciment au laitier de haut-fourneau a fissuré bien avant le béton formulé à base de ciment Portland.

2. Le retrait total en condition libre du béton formulé à base de ciment au laitier de haut-fourneau est nettement supérieur à celui du béton formulé à base de ciment Portland. Cette différence de comportement est principalement due à l’accroissement rapide et plus élevé du retrait endogène des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau.

Au vu de ces résultats expérimentaux, il a semblé intéressant de déterminer quel était l’impact de la déformation endogène des bétons formulés à base de ciments au laitier de haut-fourneau (CEM III) sur leur sensibilité à la fissuration. Afin de répondre à cette question, les déformations différées (retrait endogène, fluage propre en compression et en traction) au jeune âge de trois compositions de béton avec différentes teneurs en laitier (0, 42 et 71%) ont été étudiées expérimentalement en conditions libre et restreinte. Cependant, le suivi du retrait endogène libre et restreint a nécessité le développement de plusieurs dispositifs expérimentaux limitant au maximum les artefacts de mesure, tels que la TSTM (Temperature Stress Testing Machine). De plus, l’interprétation de ces résultats expérimentaux a également nécessité une caractérisation du comportement de ces matériaux à l’échelle macro- et microscopique.

Finalement, cette étude a montré que malgré une déformation endogène plus élevée, les bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau fissurent après le béton formulé à base de ciment Portland. Ce comportement est dû à :

-l’impact du laitier sur la réaction d’hydratation du matériau cimentaire ;

-la présence d’une expansion de la matrice cimentaire des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau au jeune âge qui retarde l’apparition des contraintes de traction au sein du matériau ;

-la plus grande capacité de ces matériaux cimentaires à relaxer les contraintes de traction/

Today, the use of concretes with mineral additions (fly ash, slag) for civil engineering structures is spreading worldwide. Indeed, the production of blended cements is more respectful of the environment than the production of Portland cement, because it allows reducing greenhouse gas emissions and using industrial wastes. Slag cement concretes are also largely used for their good resistance to alkali-silica reactions, sulphate attacks and chloride diffusion. However, some of constructions built with slag cement concretes have exhibited cracking at early age due to their restrained deformations, such as thermal, autogenous and drying shrinkage. Following these observations, a preliminary experimental study was realized in the laboratory of BATir Department at ULB. It revealed several characteristics of the behaviour of slag cement concretes:

1. The study of restrained deformations under drying conditions by means of ring tests showed that the slag cement concretes seem more prone to crack than the Portland cement concretes;

2. The total free shrinkage for slag cement concrete is clearly larger than for Portland cement concrete. This difference of behaviour is mainly due to the fast and large increase in the autogenous deformation of the slag cement concrete.

Following these experimental results, the effect of the autogenous deformation on the cracking sensibility of slag cement concretes seemed interesting to investigate. Their deformations (autogenous deformation, compressive and tensile basic creep) have been studied at early age for three concretes characterized by different slag contents (0, 42 and 71%) under free and restrained conditions. For monitoring free and restrained autogenous deformations, several test rigs aimed at limiting artefacts were designed, like the TSTM (Temperature Stress Testing Machine). Moreover, the behaviour of these concretes was also characterized by a study at a macro- and microstructure scale.

Finally, this study shows that the slag cement concretes under sealed and fully restrained conditions crack later than the Portland cement concrete, despite the fact that they are characterized by the largest autogenous deformation. This behaviour is due to:

- the slag effect on the hydration reaction of cementitious material;

- the cement matrix expansion of the slag cement concretes at early age which delays the occurrence of tensile stresses inside the material;

- the largest capacity of this concrete to relax tensile stresses.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Aujourd'hui, les problèmes environnementaux sont plus graves que jamais. Des mesures urgentes devraient être prises dans tous les domaines de l'activité humaine, y compris la construction. L'un des principaux contributeurs à l'impact négatif de cette industrie sur l'environnement est la fabrication du ciment Portland ordinaire (OPC) nécessaire à la production de béton et d’autres matériaux cimentaire. Malgré son importance, il présente un inconvénient important: sa production est accompagnée par de grandes quantités de gaz à effet de serre. Ils représentent 5 à 8% des émissions mondiales totales de CO2. Des matériaux cimentaires plus écologiques sont maintenant nécessaires.Des réductions significatives de l’impact sur l’environnement ne peuvent être obtenues que par l’utilisation de liants de nouvelle génération dont la fabrication ne nécessite pas beaucoup de processus et de traitements supplémentaires. L'une d'elles consiste à utiliser des déchets industriels comme liants (différentes laitiers, cendres volantes, cendres de biomasse, etc.). De cette manière, il y a non seulement une réduction de l'impact de processus tels que l'extraction minière ou la calcination, mais également le recyclage des déchets (un principe de l'économie circulaire).Une possibilité consiste à utiliser du laitier de haut fourneau (GGBS) comme base pour ce ciment de nouvelle génération. En raison de sa réactivité relativement faible avec l'eau, des suppléments (également appelés activateurs) doivent être utilisés pour favoriser le processus d'hydratation. Le carbonate de sodium (Na2CO3) est l’un des activateurs les plus prometteurs et en même temps les moins étudiés. Un tel ciment alkali-activé présente des propriétés mécaniques et de durabilité élevées, ainsi qu'une empreinte CO2 très faible. Parmi les principaux problèmes qui entravent son utilisation à l'échelle industrielle, on peut mentionner une évolution de la résistance lente à jeune âge et de rhéologie médiocre.L'objectif de la présente thèse est de développer une nouvelle conception du liant à base de laitier activé par Na2CO3, qui répondrait à toutes les exigences modernes du secteur de la construction, en particulier les propriétés rhéologiques et le développement de la résistance à jeune âge. Ce liant doit toujours répondre à au moins trois critères principaux: faible impact environnemental, faibles risques de danger dans les applications sur le terrain et être économiquement compétitif à l'échelle industrielle.Dans le présent travail, l’influence de différents paramètres tels que le rapport eau/liant, la concentration de Na2CO3, la finesse du laitier et les conditions de durcissement sur les propriétés du mélange à jeune âge et à long terme a été étudiée. Sur la base des résultats du processus d’hydratation, les additifs à base de phosphonate qui permettent de contrôler efficacement la rhéologie de tels liants ont été testé avec succès. Ils permettent non seulement de contrôler le temps de prise, mais fournissent également un effet plastifiant.En ce qui concerne l’amélioration des propriétés de résistance au jeune âge, différentes méthodes ont été utilisées. L’utilisation d’un traitement thermique ou d’une augmentation de la finesse du GGBS s’est avérée efficace. L’exploration des causes d’une longue période d’induction a montré que l’accélération pouvait également être obtenue par l’ajout d’une source de calcium à cinétique de dissolution contrôlée. En conséquence, le liant est devenu plus réactif et plus robuste à certains facteurs (concentration d’activateur, rapport eau/liant, conditions de durcissement, etc.). Pour compenser l'empreinte carbone supplémentaire de la source de calcium ajoutée, le liant a été dilué avec succès par le calcaire sans aucune dégradation des propriétés à un certain pourcentage de dilution
Today, environmental problems are more acute than ever. Urgent measures should be taken in all spheres of human activity including construction and civil engineering. One of the major contributors of negative environmental impacts from this industry is the manufacturing of ordinary Portland cement (OPC) required for concrete and other cementitious materials production. Although its importance to economical development, it has a significant drawback - its production is accompanied by the emission of large quantities of greenhouse gases. They account for 5-8% of total world CO2 emissions. More environmentally friendly cementitious materials are now required.Significant reductions of the environmental impact can be achieved only through the use of new-generation binders whose manufacture does not require a lot of additional processes and treatments. One route is through the use of industrial wastes as binders (different slags, fly ash, biomass bottom ash, etc.). In this way there is not only a reduction in the impact of processes such as mining or calcination, but also the recycling of waste materials (circular economy principle).One possibility is to use ground granulated blast furnace slag (GGBS) as the basis for such a new generation cement. Due to its rather low reactivity with water, additional supplements (also called activators) should be used to promote the hydration process. One of the most promising, and at the same time least studied, activators is sodium carbonate (Na2CO3). Such alkali-activated cements present high mechanical and durability properties, as well as a very low CO2 footprint. Among the main problems hindering its industrial scale adoption are their poor rheology and too slow strength gain within the first days of hardening.The objective of the present thesis is to develop a new binder based on Na2CO3 activated GGBS that would meet all the modern requirements of the construction industry, in particular regarding the rheological properties and early age strength development. In addition this binder should always respond to at least three main criteria: low environmental impact, low health and safety concerns in field applications, and be economically competitive at industrial scale.In the present work, the influence of different parameters like water/binder ratio, Na2CO3 concentration, slag fineness and curing conditions on both early age and long term properties of the mixture were studied. Based on the results of the hydration process analysis, phosphonate based additives that allow for the effective control of the rheology of such binders were successfully tested. They not only allow control over the setting time, but also provide a plasticizing effect.Regarding the improvement of early age strength properties, various methods have been used. The use of heat treatment or an increase of GGBS fineness turned out to be efficient. Exploring the causes of the long induction period has shown that acceleration can also be achieved by the addition of a calcium source with controlled dissolution kinetics. As a result, the binder became more reactive and robust against certain factors (activator concentration, Water/Binder ratio, curing conditions, etc.). To compensate for the additional carbon footprint from the added calcium source, the binder was successfully diluted by limestone without any degradation of the properties below some dilution percentages

L'emploi d'additions minérales comme le laitier de haut-fourneau dans les ciments permet de réduire de façon conséquente leur impact sur l'environnement. Le développement industriel des ciments au laitier est freiné par des performances mécaniques médiocres et un fort retrait de dessiccation. La présente étude traite de l'accélération de deux ciments au laitier : un CEM III A et un ciment au laitier constitué de 83,5% de laitier de haut-fourneau et de 15,5% d'anhydrite. L'accélération est obtenue par substitution partielle du ciment au laitier par du ciment sulfo-alumineux grâce à la formation d'ettringite qui confère au mortier une montée en résistance rapide et limite le retrait de dessiccation. La présence du clinker Portland dans les ciments au laitier entraîne une prise et un durcissement rapides du mortier liés à l'activation de la yeelimite, constituant principal du clinker sulfo-alumineux, par la portlandite issue de l'hydratation des silicates de calcium. Pour pallier un faible maintien de maniabilité, des retardateurs de prise sont utilisés mais ces derniers ont tendance à altérer les performances mécaniques à moyen terme. Si la présence du clinker Portland dans les premiers instants a un effet négatif, elle permet à plus long terme une activation calcique du laitier et de ce fait une montée en résistance importante. Le taux de chaque constituant (ciment au laitier, ciment sulfo-alumineux et ciment Portland) puis le dosage en sulfate de calcium sont optimisés par l'évaluation des performances mécaniques. Le suivi d'hydratation est réalisé sur pâte pure par diffraction des rayons X (DRX) et thermoanalyse différentielle et thermogravimétrique (ATD-ATG)
The use of supplementary cementing materials such as blast furnace slag, in cements contributes to reduce their environmental impact. The industrial development of slag cements is slowed down by their limited early-age mechanical performances and high drying shrinkage. The present study deals with the acceleration of two slag cements: a slag cement CEM III A and a slag cement containing 83,5% blast furnace slag and 15,5% anhydrite. The acceleration results of the partial replacement of slag cement by calcium sulfoaluminate cement. The hydration of calcium sulfoaluminate cement yields ettringite which allows the cement to develop high early strength. Furthermore, drying shrinkage is limited. The presence of Portland clinker in the slag cements is responsible of quick setting time and quick hardening of the mortar due to the activation of yeelimite, the main component of calcium sulfoaluminate clinker, by portlandite yielded by the hydration of calcium silicate phases. To compensate the limited time of workability, some setting time retarders are introduced but they reduce the medium-term mechanical performances. The presence of Portland clinker has detrimental effect at early age, but increases the medium-term activation of slag and therefore leads to an important improvement of strength. The content of each component (slag cement, calcium sulfoaluminate cement and Portland clinker, and calcium sulphate) is optimized by the evaluation of mechanical performances. To follow the process of hydration of binders, XRD and DTA-TGA analyses have been carried out on cement pastes

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

Les laitiers de haut-fourneaux (LHF) sont utilisés dans les ciments notamment en raison de l'amélioration globale de la durabilité qu'ils confèrent aux matériaux de construction. Cependant, les liants à forte teneur en laitiers présentent une hydratation plus lente et donc un développement de résistances mécaniques moins rapide que les ciments portland (CP). Des solutions existent pour accélérer le durcissement des liants à base de LHF, notamment l'emploi d'activants chimiques à base de chlorures. Les effets de l'activation des systèmes CP/LHF sur les développements de résistances mécaniques sont abordés dans la littérature, mais leur durabilité est assez peu étudiée. Cette thèse a donc pour but d'évaluer les conséquences de l'utilisation d'activants chlorés sur la durabilité des liants contenant 50% de LHF. D'abord, une analyse des indicateurs de durabilité permet de voir comment l'activant modifie les propriétés de transfert du matériau durci ainsi que sur la structuration du réseau poreux. Cela permet de vérifier que l'activation à jeune âge n'hypothèque pas la durabilité des bétons avec laitier à long terme. Ensuite, une étude de l'état de corrosion des aciers dans ces mélanges est entreprise afin d'évaluer l'impact des activants chlorés, reconnus pour créer de la corrosion dans le béton armé. Des essais électrochimiques couplés à de l'observation directe ainsi qu'une étude microstructurale sur le devenir des chlorures au sein de la matrice cimentaire est effectuée. La faculté des mélanges à base de laitier à fixer les chlorures dans les hydrates est notamment étudiée. Enfin, le comportement des chlorures fixés est analysé, dans le cas où la carbonatation viendrait déstabiliser les hydrates. L'impact d'un relargage éventuel de chlorures est évalué à l'aide d'un modèle couplé carbonatation/diffusion des chlorures
Ground granulated blast-furnace slags (GGBS) are used in cements in particular because of the overall improvement in the durability of building materials. However, binders with a high content of GGBS have a slower hydration and thus a development of mechanical strength slower than Portland cements (PC). Solutions exist to accelerate the hardening of GGBS-based binders, including the use of chemical activators based on chlorides. The effects of activation on the mechanical strength developments of PC/GGBS blends are discussed in the literature, but the durability of these systems is not very developed. This thesis aims to evaluate the consequences of the use of chlorides activators on the durability of binders containing 50% of GGBS. Firstly, an analysis of the durability indicators shows how the activator modifies the transfer properties of the hardened material as well as the structuring of the porous network. This allows to verify that the activation at early age does not decrease the long-term durability of concretes with GGBS. Then, a study of the corrosion state of steels in these blends is realized to evaluate the impact of chlorides activators, known to initiate corrosion in reinforced concrete. Electrochemical tests coupled with direct observation as well as a microstructural study on how interact chlorides in the cement matrix are carried out. The ability of GGBS-based blends to bind chlorides in hydrates is studied in particular. Finally, the behavior of binded chlorides is analyzed, in the case where the carbonation would destabilize the hydrates. The impact of a possible release of chlorides is evaluated using a coupled model carbonation / chloride diffusion

Le ciment utilisé dans la construction est issu de la décarbonatation du calcaire à très haute température, impliquant une émission considérable de CO2. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR EcoBéton piloté par le GeM, Ecole Centrale de Nantes et dont le but est de montrer la faisabilité d’une substitution massive du ciment par des additions minérales telles que les laitiers de hauts-fourneaux, des cendres volantes et des fillers calcaires. Cette substitution implique généralement une diminution de la résistance en compression au jeune âge. Pour résoudre ce problème, une méthode d’optimisation de la formulation des bétons utilisant la relation de Bolomey a été proposée. Au vu des bons résultats obtenus sur mortiers, une série d’essais sur bétons contenant différents taux de substitution a alors été réalisée dans le but de valider la méthode d’optimisation. Pour répondre aux exigences des constructeurs sur les performances des bétons au jeune âge qui conditionnent leur durabilité, une étude expérimentale complète a été réalisée. Des tests standards de mesure des propriétés mécaniques (compression, traction, prise) ont d’abord permis de valider le choix des formulations avec des additions minérales sur la base d’une équivalence de performances. Ensuite, les travaux se sont focalisés sur le processus d’hydratation des écobétons dans le but d’expliquer les évolutions des propriétés mécaniques. Une méthode de mesure par ultrasons de la prise à différentes températures (10°C, 20°C et 30°C) a montré que le laitier et les cendres volantes retardent la prise du béton, alors que les fillers calcaires peuvent avoir un effet accélérateur. Les études calorimétriques sur mortiers et bétons ont permis de calculer les énergies d’activation des différents mélanges et d’observer une baisse de la chaleur d’hydratation des bétons avec additions ce qui est bénéfique pour les ouvrages massifs. Les observations au microscope électronique à balayage et les analyses thermiques ont de plus apporté quelques informations riches sur le processus d’hydratation. Il a été observé que les produits hydratés, quelque soit les formulations, sont les mêmes à long terme, mais leur temps de formation et leur volume sont différents. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l’étude des principaux types de retrait. Dans un premier temps, les déformations mesurées sur béton frais ont été corrélées à l’hydratation, à la dépression capillaire et à l’évolution de la porosité. Les résultats ont permis de mettre en évidence que l’utilisation des additions minérales a un effet sur le retrait plastique, mais son impact n’est pas proportionnel à la quantité d’additions. La substitution du ciment par les additions semble avoir un effet prononcé sur la cinétique sans influencer l’amplitude à long terme. L’étude du retrait empêché à l’anneau en conditions de séchage a montré que les bétons contenant des laitiers semblent être plus sujets à la fissuration à long terme que les bétons formulés avec du ciment Portland
The cement being used in the construction industry is the result of a chemical process linked to the decarbonation of limestone conducted at high temperature and results in a significant release of CO2. This thesis is part of the project EcoBéton (Green concrete) funded by the French National Research Agency (ANR), with a purpose to show the feasibility of high substitution of cement by mineral additions such as blast furnaces slag, fly ash and limestone fillers. Generally for high percentages of replacements, the early age strength is lower than Portland cement concrete. To cope with this problem, an optimisation method for mix design of concrete using Bolomey’s law has been proposed. Following the encouraging results obtained from mortar, a series of tests on concretes with different substitution percentages were carried out to validate the optimisation method. To meet the requirements of the construction industry related to performance of concrete at early age, which determine their durability, a complete experimental study was carried out. Standard tests for the characterization of the mechanical properties (compressive strength, tensile strength, and setting) allowed to validate the choice of mix design on the basis of equivalent performance. We focused on the hydration process to understand the evolution of the mechanical properties. Setting time measurement by ultrasound device at different temperatures (10°C, 20°C and 30°C) showed that ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and fly ash delayed the setting process, while use of limestone filler may accelerate this process. Calorimetric studies over mortars and concretes made possible to calculate the activation energy of the different mixtures and a decrease in heat of hydration of concretes with mineral additions was observed which is beneficial for use in mega projects of concrete. Scanning Electron Microscopy observations and thermal analysis have given enough information about the hydration process. It was observed that the hydration products are similar for different concrete mixtures, but the time of their appearance and quantity in the cement matrix varies for each concrete mix. Last part of the thesis was dedicated to the study of main types of shrinkage. First of all, deformations measured were correlated to hydration, capillary depression and porosity evolution. Results allowed concluding that the use of mineral additions has an actual effect on the plastic shrinkage behaviour, but its impact is not proportional to the percentage of additions. Substitution of cement by the additions seems to have a marked influence on the kinetics of the shrinkage without any effect on its long term amplitude. The study of restrained shrinkage under drying conditions by means of ring tests showed that concretes with high percentage of slag addition seem more prone to cracking than the Portland cement concretes

Le laitier granule de hauts fourneaux est un sous-produit de l'élaboration de la fonte composé d'oxydes de calcium, silicium, aluminium et magnésium sous forme vitreuse. Il est utilisé dans l'industrie cimentière en mélange avec le ciment portland. Dans le cas où le laitier constitue la totalité du liant, il doit nécessairement être activé pour développer des propriétés hydrauliques. Les travaux relatifs à la réactivité de ce type de systèmes sont peu nombreux et sujets à contreverses en particulier en ce qui concerne l'identification et les caractéristiques des produits formes. Dans le cadre de ce travail, l'activation du laitier a été étudiée par des solutions alcalines peu concentrées. L'évolution du système a été essentiellement analysée à partir de l'étude des concentrations ioniques en solution, de l'analyse thermogravimétrique des produits et de leurs caractéristiques structurales déterminées par spectroscopie infrarouge. Lors de l'activation alcaline il se forme des hydrosilicates de calcium hydrates incorporant d'autant plus d'aluminates que la solution est plus basique et de l'aluminate de calcium hydrate. L'identification des produits formes a pu être menée à bien grâce à la synthèse des produits purs susceptibles de se former dans les différentes conditions. La caractérisation de ces références a conduit à: préciser la structure des aluminates de magnésium hydrate ; ils ont une structure en feuillet dans laquelle les ions al#3#+ et mg#2#+ se répartissent de façon statistique dans les différents sites, montrer que les aluminates de calcium et de magnésium hydrate sont des composes définis et non des solutions solides d'aluminate de calcium hydrate et d'aluminate de magnésium hydrate, déterminer dans quels sites se localisaient les ions al#3#+ dans les silicates de calcium hydrate suivant la concentration en hydroxyde

Ces dernières décennies, la concentration des exploitations agricoles dans certaines zones de l’Europe a engendré des problèmes environnementaux liés à la production d’effluents tels que les lisiers ou les jus d’ensilage. Ceux-ci sont aujourd’hui stockés dans des ouvrages de rétention étanches souvent réalisés en béton. Or, ces effluents contiennent des bactéries et des acides organiques, provoquant une attaque chimique sévère du béton, le pH des jus d’ensilage étant de 4 et celui des lisiers étant compris entre 6 et 8. Ce travail a pour vocations principales l’analyse des mécanismes de dégradation des matrices cimentaires par les acides organiques des effluents et la détermination des paramètres de composition des liants favorisant leur durabilité. A cette fin, des essais de lixiviation, immersion et semi-immersion de pâtes et/ou mortiers de liants ordinaires et spéciaux ont été mis en œuvre. Dans un premier temps, des solutions d’acides organiques, aux pH de 4 et/ou 6, simulaient la partie acide des lisiers. Les modifications physico-chimiques et microstructurales de la matrice ont été analysées par porosimétrie, microsonde électronique, DRX, ATD/DTG, RMN 29Si et 27Al, MEB. En outre, une analyse comparative de différents liants (ciments Portland ordinaire, au laitier, alumineux…) a été réalisée. Dans un second temps, les éprouvettes ont été immergées dans des effluents réels afin d’identifier l’effet spécifique des bactéries dans la dégradation. Ce travail a montré que les acides organiques des effluents provoquent une attaque comparable à celle des acides forts, limitant la durabilité des liants ordinaires, le ciment alumineux offrant des performances légèrement supérieures. Dans les lisiers, la respiration des bactéries provoque la carbonatation de la matrice
In many countries, highly concentrated farming areas are the place of environmental problems linked with the production of manure such as silage effluents or liquid manure. Hence, manure need to be stored in water-tight silos often made of concrete. But, these products contain both organic acids and micro-organisms and constitute a chemically severe environment toward the concrete of agricultural structures since the pH of silage effluent is of 4 and the pH of liquid manure is between 6 and 8. This work aimed at analysing the alteration mechanisms of cement based matrixes by manure’ organic acids, as well as breaking down the binders’ composition parameters favouring the durability. Tests such as leaching, immersion and semi-immersion of pastes and/or mortars made with ordinary and special cements were implemented. Mixes of manure organic acids at pH of 4 and/or 6 were first used in order to simulate the acidic part of liquid manure. Physical and chemical changes as well as modifications in the microstructure of the cement pastes were analysed by porosimetry, electron microprobe, XRD, ATD/DTG, NMR 29Si and 27Al, SEM… Moreover, a comparative study was lead on different binders (ordinary Portland cement, slag cement, aluminous cement…). Then, specimens were immersed in real effluents in order to identify the role of the bacteria in the alteration. It was shown that the attack by manure organic acids may be compared to the one of strong acids. Ordinary binders have equivalent behaviour and aluminous cement offer slightly better performances. In liquid manure, the bacteria’ respiration provokes the carbonation of the matrix