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Résumé
Les matériaux cimentaires utilisés dans la construction d’ouvrages de génie civil sont sujets, dès leur mise en oeuvre, à des
variations dimensionnelles d’origine physico-chimique, mécanique, thermique et/ou hydrique. La phase de durcissement de
ces matériaux s’accompagne notamment d’un phénomène de retrait dû à l’hydratation des constituants de la pâte de ciment.
A température constante et sans échange d’eau avec le milieu extérieur, la conséquence de ce phénomène est appelé retrait
endogène. Le retrait endogène est lié, d’une part, à la différence de densité entre les produits réactifs et les réactants
(contraction Le Chatelier), et, d’autre part, à l’autodessiccation de la matrice cimentaire. Par ailleurs, ces déformations sont
localement empêchées par la présence d’inclusions granulaires et il peut en résulter le développement de microfissures dans
la phase hydratée de la pâte de ciment.
La première partie du travail de thèse a consisté à développer des dispositifs de mesure des déformations volumiques et
linéiques libres spécialement adaptés au comportement complexe des matrices cimentaires au très jeune âge. Un dispositif de
mise en rotation continue de l’échantillon a notamment été mis au point afin d’éviter les phénomènes de ressuage et de
ségrégation du matériau. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l’analyse des résultats d’une étude expérimentale
multi-variables qui a permis d’évaluer l’influence relative des paramètres de composition des matrices cimentaires, en
particulier les propriétés des granulats, sur l’évolution du retrait endogène au très jeune âge de pâtes de ciment et de mortiers
fabriqués avec différents types de ciment et rapports eau/ciment. Les résultats obtenus montrent qu’avant la prise, la présence
des granulats provoque une augmentation de la contraction Le Chatelier. Après la prise, l’effet des granulats sur le retrait
endogène est inversé : le retrait volumique des mortiers exprimé en mm 3 par gramme de ciment est inférieur au retrait de la
pâte de ciment correspondante. Des observations au MEB ont montré l’existence au jeune âge d’un réseau de microfissures
autour des granulats, attribué au phénomène de retrait empêché de la pâte environnante et aux contraintes internes
engendrées. Ces microfissures peuvent induire une relaxation des contraintes internes et expliquer, pour partie, la diminution
du retrait endogène en présence d’inclusions granulaires.
La troisième partie est consacrée à la formulation d’un modèle micromécanique multi-échelles pour la prédiction de
l’évolution du retrait endogène des matrices cimentaires en présence ou non d’inclusions granulaires, depuis le premier
contact eau-ciment. Les résultats expérimentaux et numériques obtenus sont comparés et les différences observées sont
analysées.
Mots-clés : Retrait endogène, volumique, linéique, ressuage, pâte de ciment, granulats, jeune âge, isotherme, métrologie,
expérimental, modélisation multi-échelles.
Abstract
The cementitious materials used in the design of civil engineering structures undergo, since their making, volume variations
of physico-chemical, mechanical, thermal and/or hydrous origins. The setting and the hardening of these materials are
accompanied by shrinkage due to the hydration of the cement paste components. In constant temperature conditions and
without water exchange with the outside, the consequence of this phenomenon is called autogenous shrinkage. Autogenous
shrinkage is due, on the one hand, to the difference in density between the hydration products and the reactants (Le
Chatelier’s contraction), and, on the other hand, to the self-desiccation of the cementitious matrix. In addition, these
deformations are locally prevented by the presence of granular inclusions and this can result in the development of
microcracks in the hydrated phase of the cement paste.
The first part of this research work has consisted in developing devices for the measurement of deformations, especially
adapted to the complex behaviour of very early-age cementitious matrices. In particular, a device, enabling the continuous
rotation of the sample during the test, has been developed in order to avoid bleeding and segregation of the material. The
second part of this work is devoted to the analysis of the results of a multi-variable experimental study carried out to evaluate
the relative influence of the mix-parameters, particularly the properties of the aggregates, on the evolution of the very earlyage
autogenous shrinkage of mortars and cement pastes prepared with various cement types and water-to-cement ratios. The
results obtained show that before the setting, the presence of the aggregates causes an increase in Le Chatelier’s contraction.
After the setting, the effect of the aggregates on autogenous strain is reversed: the shrinkage of the mortars expressed in mm 3
per gram of cement is lower than the shrinkage of the corresponding cement paste. SEM observations show the existence, at
early age, of a microcrack network around the aggregates, which has been attributed to the phenomenon of restrained
shrinkage and the development of internal tensile stresses. These microcracks can induce an internal stress relaxation and
explain, to some extent, the autogenous shrinkage decrease in the presence of granular inclusions.
The third part is dedicated to a micromechanical multi-scale model for the prediction of the early-age autogenous shrinkage
evolution of the cementitious matrices with or without granular inclusions. The experimental and numerical results are
compared and the differences are analyzed.
Keywords : Autogenous shrinkage, volume and linear variations, bleeding, cement paste, aggregate, early age, isothermal,
metrology, experimental, multi-scale modelling.
Discipline : Mécanique, Thermique et Génie Civil (spécialité : Génie Civil)