Etude de l'influence des additions minérales sur l'auto-cicatrisation des matériaux cimentaires : caractérisation expérimentale et modélisation des propriétés visco-élastiques

par Carol Youssef namnoum

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Ahmed Loukili.


  • Résumé

    Les sollicitations mécaniques et environnementales subies par le béton peuvent entraîner l’apparition de fissures menaçant la durabilité des infrastructures. L’auto-cicatrisation, définie comme étant la capacité de refermeture des fissures sans intervention humaine, apparaît de plus en plus comme une solution prometteuse dans la durabilité des structures. Dans ce travail, l’intérêt s’est porté en premier lieu sur le processus physico-chimique de l’auto-cicatrisation autogène dans les mélanges composés de ciment et d’additions minérales de plus en plus utilisées dans l’objectif de diminuer l’empreinte carbone des bétons. Le potentiel de cicatrisation a été suivi sur différentes compostions en analysant leurs comportements mécaniques en flexion trois points. En parallèle, la nature chimique des produits formés au sein des fissures créées artificiellement a été suivi par différentes techniques d’analyses et d’imagerie microscopiques (MEB, DRX, ATG). L’interprétation fine des résultats a permis de dégager des conclusions claires sur la capacité de l’auto cicatrisation des matériaux et sur la minéralogie des produits de cicatrisation en fonction de la composition initiale. Dans un second temps, le comportement visco-élastique d’éprouvettes de mortier cicatrisées ou en cours de cicatrisation a été investigué. Il s’agit à notre connaissance d’un travail pionnier dans ce domaine dont l’objectif est de fournir des éléments de compréhension supplémentaires sur l’interaction entre la continuité d’hydratation du matériau cicatrisant et la présence d’un chargement mécanique. La démarche expérimentale a consisté à la fois dans le suivi du fluage en flexion de matériaux cicatrisés ainsi que leur comportement mécanique résiduel après déchargement. En combinant les deux résultats, nous avons conclu que l’aspect évolutif des propriétés mécaniques avec la continuité d’hydratation du ciment en cours de cicatrisation entraîne une relation entre les regains mécaniques et le taux de déformation de fluage. Puis, une modélisation à l’échelle microscopique a été établie pour identifier et évaluer les mécanismes physiques du couplage fluage-cicatrisation. Dans l’approche proposée, l’évolution des regains mécaniques par l’auto-cicatrisation des pâtes virtuelles a été simulée et a confirmé les hypothèses expérimentales de l’influence du regain mécanique sur le comportement différé des matériaux cicatrisés.

  • Titre traduit

    Impact of mineral additions on self-healing of cementitious materials : experimental characterization and numerical modeling of fracture and viscoelastic properties


  • Résumé

    The mechanical and environmental loads undergone by concrete can lead to cracking threatening the durability of infrastructure. Self-healing, defined as the ability of a structure to repair itself without human intervention, is increasingly emerging as a promising solution to increase the durability of structures. In this work, the focus was primarily on the physico-chemical process of autogenous self-healing for mixtures composed of cement and mineral additions increasingly used with the objective of reducing the carbon footprint of concrete. The healing potential has been evaluated on different compositions to analyze their mechanical behavior by three-point bending tests. In parallel, the chemical nature of the products formed within the artificially created cracks are monitored by various microscopic analysis and imaging techniques (SEM, XRD, TGA). The detailed interpretation of the results allowed clear conclusions to be drawn on the self-healing capacity of the materials and on the mineralogy of the healing products depending on the initial composition. Secondly, the visco-elastic behavior of healed or healing mortars have been investigated. To our knowledge, this is pioneering work in this field whose objective is to provide additional elements on the interaction between the continuity of hydration of the healing material and the presence of mechanical load. The experimental approach consisted both in monitoring the flexural creep of healed materials as well as their residual mechanical behavior after unloading. By combining the two results, we concluded that the evolutionary aspect of the mechanical properties with the continuity of hydration of cement during healing leads to a relationship between mechanical regains and the rate of creep deformation. Then, a microscopic scale modeling has been established to identify and evaluate the physical mechanisms of the creep-healing coupling. In the proposed approach, the evolution of mechanical regains by self-healing of virtual cement pastes has been simulated and confirmed the experimental hypotheses of the influence of mechanical regains on the creep displacement of healed materials.


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