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The work in this thesis is related to the durability of high-strength grouts, in a mechanical perspective. Numerous structures are subjected to fatigue loading during their lifetime such as offshore structures, wind turbines, road joints, airport runways or industrial floors.Despite the fact that this phenomenon is well known in steel structures, it can be noticed that for concrete structures and grouts, fatigue loading is rarely explicitly taken into consideration in the design codes. Furthermore, the information available in the literature concerning the phenomena influencing fatigue resistance and which determine the lifetime of structures, such as the number of cycles, the amplitude of stresses before failure, the frequency level applied are quite contradictory, in part because of the heterogeneous nature of the material.Thus, the aim of this thesis is firstly to analyze the damage induced by fatigue loading mainly in compression by means of different experimental methods. An important part of this study consists in identifying the parameters which have an influence on the fatigue life and the strain and stiffness evolution during loading. Among these parameters, the following are predominantly investigated : the loading frequency, the maximum stress applied, the temperature increase. Subsequently, alternative methods are proposed in order to evaluate the endurance limit and the fatigue life of grouts.A second part of this thesis consists in analyzing the influence of different mix components on the fatigue behavior. Different mixes have been developed with different aggregate types, in different grain fractions and an increased porosity level by entrained air and W/B. Therefore, the influence of the microstructure is examined and completed by different measuring techniques such as SEM-EDS, XRD, digital image correlation, infrared camera, mercury intrusion porosimetry and total water porosity.; Le travail de cette thèse concerne la durabilité d’un point de vue mécanique des mortiers haute performance. De nombreuses structures sont soumises à des efforts de fatigue au cours de leur durée de vie comme des structures offshore, joints de chaussée, pistes d’aéroport ou planchers industriels.Bien que ce phénomène soit assez connu pour les constructions métalliques, pour les ouvrages en béton et les mortiers, les chargements en fatigue sont rarement explicitement pris en compte dans les règles de dimensionnement. De plus, les éléments mentionnés dans la littérature concernant les phénomènes qui influent sur la résistance à la fatigue et qui déterminent la durée de vie des ouvrages, tels que le nombre de cycles, l'amplitude des contraintes avant rupture, niveau de fréquence appliqué sont assez contradictoires probablement en raison de la nature hétérogène du matériau. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d'abord d’étudier l’endommagement par fatigue principalement en compression à l’aide de différentes méthodes expérimentales. Une partie importante de cette étude consiste à identifier les paramètres qui ont une influence sur la durée de vie et l'évolution de déformations et rigidité durant le chargement. Parmi ces paramètres, les suivants sont principalement étudiés : le niveau de fréquence, la contrainte maximale appliquée, l'élévation de température. Par la suite, des méthodes alternatives pour estimer la limite d'endurance et la durée de vie des mortiers sont proposées.Un deuxième volet de cette thèse consiste à analyser l’influence de différents paramètres de formulation sur le comportement à la fatigue. Des formulations ont été développés avec des granulats de nature différentes, fractions granulaires et augmentation de porosité par air entrainé et E/C. Ainsi, l'influence de la microstructure est étudiée et complétée par différentes techniques de mesure expérimentales comme MEB-EDS, DRX, corrélation d'images, caméra infrarouge, porosité mercure, porosité à l'eau.

The use of geopolymer cements is investigated as grouts in the industrial context of sand production from natural gas storage wells. The aim is to reinforce the sandstone storage pocket, without impairing its gas transport ability. Sand production is currently hindered by chemical methods only efficient over a limited timeframe and in the absence of underground water seepage or brine.A compacted sand medium has been developed, which is analogous to in situ sandstones. A reference geopolymer cement has been adapted from a stoichiometry of (1 Al2O3, 3.6 SiO2, 1 Na2O, 11 H2O), made with sodium silicate alkali-activated metakaolin. The grout has been diluted to reach a viscosity on the order of that of water. The metakaolin powder granulometry has been refined by wet grinding, in order to guarantee adequate injectability of the geopolymer solid-liquid suspension.At a centimeter scale, the impact of geopolymer grouts has been quantified on both its consolidation ability and its gas permeability, using a fluidization experiment. The water resistance of geopolymer grouts has been proven at this scale.At a multi-centimeter scale, the adequacy of our geopolymer grouts is quantified using an experimental set-up developed from the typical triaxial failure test in soil mechanics. It follows a gas permeability test of compacted sand, before and after consolidation by the geopolymer grout. Our results have proven conclusive. In particular, the impact of geopolymer grouts is smaller than 10% on gas permeability, as required by the industrial specifications. Consolidation by geopolymer grouts is also significantly better than an existing chemical grout solution (based on Polyacrylamide).; L’utilisation des géopolymères sous forme de coulis est investiguée dans le contexte des venues de solides dans les puits de stockage de gaz naturel. Il s’agit à la fois de consolider le massif de stockage, sans impacter significativement ses capacités de production de gaz. Les venues de solides sont, actuellement, prévenues par des solutions chimiques qui ont une efficacité limitée dans le temps et en présence d’eau.Nous avons mis au point un sable compacté (analogue au grès des réservoirs), et adapté une formulation de géopolymère (métakaolin activé au silicate de soude) de référence (1 Al2O3, 3,6 SiO2, 1 Na2O, 11 H2O). Nous avons dilué cette formulation pour obtenir une viscosité du même ordre que celle de l’eau. La granulométrie de la poudre commerciale a été affinée par broyage en phase humide, afin de garantit une bonne injectabilité au travers du sable compacté.À une échelle centimétrique tout d’abord, l’impact des coulis sur la consolidation et sur la perméabilité au gaz du sable sont quantifié par un essai de fluidisation. La résistance à l’eau des coulis de géopolymères a aussi été prouvée.À une échelle pluri-centimétrique, l’adéquation des coulis est quantifiée via un dispositif expérimental d’essai triaxial à rupture et par une mesure de perméabilité au gaz avant et après consolidation par le coulis.Les résultats obtenus sont concluants. L’impact des coulis de géopolymère sur la perméabilité au gaz du sable compacté est inférieur à 10%, comme requis par le cahier des charges industriel. La consolidation par coulis de géopolymère s’est révélée supérieure, de façon significative, à celle d’une solution chimique déjà utilisée in situ (polymère Polyacrylamide).

In the context of Cigéo project (geological industrial disposal for radioactive wastes), this work focuses on the valorization of Callovo-Oxfordian argillite by the formulation of an alkali-activated grout. This application required a high setting time (close to 24 hours) and a moderate pH value (10-11). Thus, the argillite thermal treatment has been adapted to alter clays minerals without decomposing carbonate species (to avoid the presence of reactive calcium). A potassium-based silicate solution, with moderated reactivity (Si/K = 0.70), has been used for the alkali-activation step. Concerning the grout formulation, it has been necessary to enhance the argillite reactivity by the insertion of metakaolin and to add boron-based compounds. The resulting grout was in accordance with the specification. Finally, a study of the binder in an environment close to the using conditions (injection between geological layer and a radioactive waste lining) has been investigated. In this aim, the binder has been casted in contact with the geological argillite at 90 °C. It was evidenced a network reorganization at 90 °C (boron integration in the network and possible formation of zeolite). Potassium diffusion from the binder to the argillite has also been observed.; Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet Cigéo (Centre industriel de stockage géologique de déchets radioactifs) et a porté sur la valorisation des argilites du Callovo-Oxfordien sous forme de coulis d’injection activé alcalinement. Cette utilisation requiert un liant présentant une importante durée pratique d’utilisation (~24 heures) et une valeur de pH modérée (10-11). Ainsi l’activation thermique de l’argilite a dû être maitrisée afin d’accroitre la réactivité des espèces argileuses tout en limitant la décarbonatation, pour éviter la présence de calcium réactif. Une solution alcaline silicatée potassique, de réactivité modérée (Si/K = 0,70), a été utilisée pour l’activation alcaline des argilites calcinées. Afin de développer le coulis, il a été nécessaire de favoriser la réactivité de l’argilite par addition de métakaolin et d’incorporer des additifs à base de bore. Un coulis dont les caractéristiques correspondent à celles visées a ainsi été obtenu. Enfin, une étude du liant dans des conditions proches de celles de l’utilisation finale (injection entre la couche géologique d’argilites et le chemisage de déchets radioactifs) a été menée. Pour cela, le liant a été mis en contact avec un bloc d’argilites du Callovo-Oxfordien, à une température de 90 °C (température maximale en condition d’usage). Il a ainsi été mis en évidence qu’à 90 °C le réseau géopolymère se réorganise (intégration du bore dans le réseau et formation éventuelle de zéolite). La mise en contact du liant avec l’argilite géologique a aussi permis d’identifier une diffusion du potassium dans les argilites du Callovo-Oxfordien.

This work deals with the problem of suspension flow in a porous medium in presence of filtration, with application to the injectability of a cement grout in a sand matrix. A theoretical model has first been developped to describe the flow of the suspension within the porous medium. The model is of the macroscopic type, based on the mass conservation equations, Darcy's law and on the definition of evolution laws for the intrinsic permeability of the porous medium and for the volume filtration rate. The flow problem is then numerically solved based on finite elements method, for the one-dimensional case as well as for the radial case. In order to propose pertinent laws for the evolution of permeability and filtration rate, a specific experimental device was developped allowing the injection of small thickness samples. In particular, this device has allowed to study the influence of significant parameters on the injection process. Furthermore, some tests have been carried out on other experimental devices (short columns and long columns devices) in order to better understand the injection mechanisms. The results obtained have allowed to show the pertinence of a linear evolution law for the filtration rate and of a hyperbolic evolution law for the intrinsic permeability of the porous medium. Finally, a first validation of the proposed model has been done based on complementary results obtained on long columns., On s'intéresse, dans le cadre de ce travail, à la problématique de l'injection d'une suspension dans un milieu poreux en présence de filtration, avec application à l'injectabilité de coulis de ciment dans des sables. Un modèle théorique a tout d'abord été élaboré pour décrire l'écoulement de la suspension au sein du milieu poreux. Il s'agit d'un modèle macroscopique basé sur les équations de conservation de masse, sur l'équation d'écoulement de Darcy et sur des lois d'évolution de la perméabilité intrinsèque du milieu poreux et du taux de filtration volumique. Ensuite, le problème de l'écoulement est résolu numériquement en utilisant la méthode des éléments finis, pour l'écoulement unidimensionnel ainsi que pour l'écoulement radial. Afin de proposer des lois petinentes pour les évolutions de la perméabilité et du taux de filtration, on a développé un dispositif expérimental spécifique d'injection d'éprouvettes de faible hauteur. Ce dispositif a, en particulier, permis de mettre en évidence l'influence de paramètres significatifs sur le déroulement du processus d'injection. On a, de plus, réalisé des essais sur d'autres dispositifs (essais sur colonnes courtes et longues) en vue d'approfondir la compréhension des mécanismes de l'injection. Les essais réalisés ont, en particulier, permis de montrer la pertinence d'une loi d'évolution linéaire du taux de filtration et d'une loi d'évolution hyperbolique de la perméabilité intrinsèque du milieu. Finalement, une première validation du modèle proposé a été réalisée à partir de résultats expérimentaux complémentaires obtenus sur colonnes longues.

International audience; The injection of a microfine cement grout into alluvial deposits is an effective soil treatment in order to construct a tunnel without damage for the surrounding structures. Triaxial tests on uncemented soils and on grouted soils injected in the laboratory are carried out in order to rationally take into account the improvement of mechanical properties of soils induced by the injection. We also show the differences in the mechanical behaviour of soils due to the injection. Finally, we propose improvement ratios of the parameters of the elastic plastic model and the way to integrate them into structural design.; L'injection d'un coulis de ciment ultrafin dans un terrain alluvionnaire constitue un traitement de terrain efficace qui permet de construire un ouvrage souterrain sans porter préjudice à l'intégrité structurelle du bâti existant. Afin de prendre en compte, d'une manière rationnelle, l'amélioration des propriétés mécaniques des sols apportée par l'injection, on a conduit une campagne d'essais triaxiaux sur des échantillons vierges de tout traitement puis sur des échantillons injectés en Iaboratoire. On montre comment l'injection de coulis influe sur le comportement mécanique des sols. On propose enfin des facteurs d'amélioration des paramètres du modèle élastique plastique parfait et la façon dont ils peuvent être intégrés dans les calculs d'ouvrages.