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Étude expérimentale et modélisation micromécanique des propriétés des bétons bas carbone

ABG-122210 Thesis topic
2024-04-03 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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Cerema Île de France
Sourdun - Ile-de-France - France
Étude expérimentale et modélisation micromécanique des propriétés des bétons bas carbone
  • Materials science
  • Civil engineering, construction and public works
  • Digital
Bétons bas corbone, hydratation, schémas d'homogénéisation, durabilité des bétons

Topic description

Réduire l’empreinte carbone des matériaux, garantir une utilisation durable des ressources naturelles et optimiser le taux d’incorporation de matériaux recyclés dans les produits de construction, sont des objectifs bien identifiés dans la Stratégie Nationale Bas-Carbone (SNBC). Une des pistes serait d’augmenter le taux d’incorporation d’additions minérales (ou des déchets), en substitution du ciment. Toutefois, un usage massif de ces additions aura un impact négatif sur les propriétés des mélanges au jeune âge. Cela se traduira par un retard d’hydratation (notamment pour les laitiers et cendres volantes) ce qui engendrera des faibles propriétés mécaniques du mélange binaire (ciment+ addition) à très court terme. Combiner une addition minérale avec un filler (liant ternaire), moyennant un travail d’optimisation, devrait permettre la compensation de cette baisse en améliorant la réactivité du mélange et ses propriétés mécaniques et de durabilité. Comprendre les synergies entre les différentes additions, modéliser la cinétique d’hydratation et prédire les propriétés mécaniques et de durabilité d’un mélange ternaire sont des sujets complexes, mais dont le traitement urge afin de répondre à l’urgence climatique.


De nombreuses études expérimentales ont été menées sur des matériaux cimentaires à base de liants binaires ou ternaires contenant du calcaire, de l'argile calcinée, du laitier, des cendres volantes et d'autres additions minérales. Ces travaux ont montré la possibilité d’atteindre les performances mécaniques d’un mélange de référence, moyennant un travail d’optimisation, tout en réduisant l’empreinte carbone du matériau par la diminution du taux de clinker [1,2]. Sur le plan numérique, les travaux traitant des mélanges ternaires sont rares et se sont surtout focalisés sur le processus d’hydratation [3-4]. Dans le cadre de ces recherches, des modèles thermodynamiques ont été mis en oeuvre et permettent de quantifier les volumes des différentes phases formées. Au sein de notre équipe de recherche, des travaux ont été initiés [5] afin de proposer un modèle d’hydratation couplé à un schéma d’homogénéisation micromécanique pour estimer le module élastique et la résistance à la compression des liants binaires en fonction du temps. Malgré la fiabilité de ce modèle dans l’estimation de la chaleur dégagée totale, il est limité aux liants binaires, avec également une difficulté de bien prédire la période dormante.


L’objectif principal de cette thèse est de proposer et valider un modèle d’hydratation des liants ternaires couplé à un schéma micromécanique permettant d’estimer les propriétés mécaniques et de durabilité d’un béton à base de ces liants. Sur le plan expérimental, les bétons formulés avec des liants ternaires seront caractérisés aussi sur le plan mécanique en plus de l’hydratation et explorés d’un point de vue approche performantielle. D’un point de vue modélisation, il n’existe à ce jour aucun outil permettant de prédire les propriétés macroscopiques (mécaniques et de durabilité) des bétons à base de liants ternaires, notamment en prenant en compte leur processus d’hydratation. Le travail proposé dans ce champ devra permettre une avancée très significative dans la prédiction des propriétés des bétons bas carbone.


[1] Mounanga P., Khokhar M., El Hachem R. and Loukili A. (2011). Improvement of the early-age reactivity of fly ash and blast furnace slag cementitious systems using limestone filler, Materials and Structures, 44, 437-453.
[2] Lavergne F., Belhadi R., Carriat J. and Ben Fraj A. (2019). Effect of nano-silica particles on the hydration, the rheology and the strength development of a blended cement paste, Cement and Concrete Composites, 95, 42-55.
[3] Adu-Amankwah S., Zajac M., Stabler C. and Lothenbach B. (2017). Influence of limestone on the hydration of ternary slag cements, Cement and Concrete Research, 100, 96-109.
[4] Zunino F. and Scrivner K. (2022), Microstructural developments of limestone calcined clay cement (LC3) pastes after long-term (3 years) hydration, Cement and Concrete Research, 153, 106693.
[5] Lavergne F., Ben Fraj A., Bayane I. and Barthélémy, J-F. (2018). Estimating the mechanical properties of hydrating blended cementitious materials: An investigation based on micromechanics. Cement and Concrete Research, 104, 37-60.

Starting date

2024-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Presentation of host institution and host laboratory

Cerema Île de France

Cerema (Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement) est un établissement public à caractère administratif.

Les travaux de thèse seront réalisés au sein du Laboratoire Eco-Matériaux (LEM) de la Dter Idf, situé sur le site de Sourdun (Seine-et-Marne)

Ce site situé à Sourdun (77) comprend un laboratoire d'écomatériaux pour les infrastructures et la construction, avec une équipe projet de recherche dédiée à la durabilité des matériaux.

Il comprend aussi des équipes spécialisées dans les domaines de l'acoustique, du bâtiment, et de l'inspection d'ouvrages subaquatiques.

PhD title

Doctorat en génie civil

Country where you obtained your PhD

France

Candidate's profile

Compétences souhaitées
- Très bonnes connaissances en matériaux cimentaires
- Micromécanique et schémas d’homogéneisation
- Un goût pour la modélisation numérique
- Des connaissances en programmation 

2023-04-25
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