Batoz J.F., Rivallain M. - Ductal

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France
Ultrahigh-performance concrete contribution to sustainable development
Jean-Francois Batoz
Chemical Engineering Engineer,
MBA HEC Paris
Lafarge Cement Division
Paris, 75016 France
Mathieu Rivallain
Materials Science
& Civil Engineering
Lafarge Construction Trends
Paris, 75016 France
1. Introduction
Les travaux sur le béton dans les années 80 avaient comme principal objectif d’en améliorer les
propriétés mécaniques s’appuyant sur le constat que la compacité de la matrice cimentaire
pouvait être augmentée.
De nombreuses initiatives avaient déjà pris place aussi bien dans le développement des bétons
réfractaires à ultra basse teneur en ciment que les bétons traditionnels en s’appuyant sur
l’amélioration des empilements granulaires visant à réduire la part de « vide » laissée par
l’évaporation d’eau et la contraction de Le Chatelier.
L’augmentation de compacité induisant des comportements de plus en plus fragiles pouvant
même conduire à l’explosion des échantillons sous la presse, la question du renfort était ouverte
non plus à l’échelle d’un élément constructif mais à celle du matériau.
L’adjonction de fibres comme renfort distribué dans le matériau induisait un comportement
mécanique tout à fait nouveau, une ductilité que les bétons n’avaient jamais connue.
En prolongement à ces travaux sur les squelettes granulaires, l’étude des effets de la température
sur les matrices cimentaires après prise a montré un renforcement des performances permettant
d’atteindre, dans des conditions particulières, des résistances en compression de 800 MPa.
En parallèle, la caractérisation de la durabilité de ces matériaux était lancée qui démontrait que le
bond franchi en termes de performances mécaniques s’accompagnait d’un bond encore plus
important au plan des résistances à la pénétration des ions, à l’abrasion, au gel-dégel, etc ….
Plus récemment les caractérisations à l’échelle macro étaient rapprochées de l’analyse de la
microstructure en particulier grâce au développement des méthodes de caractérisations
mécaniques, comme la nano-indentation, couplées à des mesures MEB ou AFM [1],[2], [3].
Des propriétés particulières de la microstructure ont été mises en évidence qui sont responsables
des caractéristiques spécifiques, à l’échelle macro, du matériau et permettent d’envisager, grâce à
une utilisation rationnelle de celui-ci, de réduire globalement très sensiblement l’impact
environnemental des constructions.
Il est à noter que la définition actuelle d’un UHPC ou UHPFRC, introduite à la fin des années
90, ne repose que sur la caractéristique de résistance en compression au-delà de 150 MPa, la loi
de comportement n’étant pas en soi un critère, dans la mesure où elle est plus dépendante de la
nature et des caractéristiques des ingrédients.
En effet, si certaines caractéristiques sont sensiblement communes aux différents UHPFRC
étudiés (telles une teneur en ciment dépassant 700 kg/m 3 , certaines caractéristiques du ciment, un
1

Designing and Building with UHPFRC : State of the Art and Development
rapport E/C inférieur à 0,3, etc.) il reste que les travaux présentés ci-dessous n’ont été menés que
sur le matériau Ductal®, dont la composition et les performances ne peuvent être généralisées à
tout autre composition.
2. La construction durable
De par leurs propriétés intrinsèques, les UHPFRC sont à même de servir la construction durable.
Problématique tant sociétale que financière, juridique ou technique, la construction durable est
un sujet large et complexe. Elle implique de nombreuses parties prenantes et décideurs. A la fois
multicritère et intégrée, la notion de construction durable est souvent difficile à appréhender, et
conduit parfois à des comparaisons simplement fausses. Par exemple, la comparaison de
l’empreinte environnementale d’une unité de masse ou volume n’a pas de sens en soi (exemple
un kg de laine de verre comparé à un kg de béton), les deux matériaux n’ayant et ne pouvant
simplement remplir la même fonction.
La construction durable peut donc être définie comme une vision de la construction qui, par une
combinaison raisonnée de matériaux et produits de construction, d’intelligence dans leur mise en
œuvre, cherche à limiter aujourd’hui son empreinte environnementale : les consommations de
ressources épuisables, les émissions dans l’air, l’eau ou les sols. Il s’agit de préserver
l'environnement afin d’assurer la survie des générations futures et contribuer à notre
développement économique et social.
Comme pour tout type de produits, procédés ou services, les impacts des constructions sur
l’environnement peuvent être mesurés par une méthodologie scientifique, faisant aujourd’hui
l’objet d’une normalisation internationale : c’est l’analyse de cycle de vie (ISO 14040-45).
L’analyse de cycle de vie (ACV) réalise un bilan de matière et d’énergie sur l’ensemble des
phases de cycle de vie des bâtiments ou des ouvrages, depuis la production des matériaux utilisés
jusqu’à la fin de vie, déconstruction, mise en décharge ou recyclage des composants. Cette
technique scientifique, quantitative et multicritère, permet de comptabiliser toutes les
consommations de matières, d’énergie et d’eau, ainsi que toutes les émissions dans l’eau, l’air ou
les sols. Sont ensuite calculés des indicateurs environnementaux représentatifs qui caractérisent
en synthèse ces bilans : consommation totale d’énergie primaire, impact sur le changement
climatique, épuisement des ressources naturelles, acidification atmosphérique, etc.
L’objectif poursuivi est la réduction de l’empreinte environnementale globale, à l’échelle du
bâtiment ou de l’ouvrage, et sur l’ensemble de son cycle de vie. Toute approche partielle est
vaine.
Au niveau des matériaux, deux stratégies complémentaires sont développées :
Les écoproduits : ils ont une empreinte environnementale moindre, rapportée à l’unité
de volume ou de masse, que les matériaux conventionnels, en assurant même fonction et
même performance.
Les matériaux éco-efficaces : leur intérêt environnemental ne se mesure pas à l’échelle
du kg de matériau mais à celle de la performance environnementale de l’ouvrage ou du
bâtiment dans sa globalité, sur la totalité de son cycle de vie. Leur impact global peut
alors être significativement plus important.
Les UHPFRC, Ductal ® en particulier, ont un potentiel de matériaux éco-efficaces. Leur intérêt
environnemental ne se mesure pas à l’efficacité d’une unité de volume ou de masse de matériau,
mais à celle de l’ouvrage dans son ensemble et sur l’intégralité de son cycle de vie.
Au plan environnemental, partir des performances intrinsèques du matériau ne donne en général
aucune indication de ce que pourra être la performance finale de l’ouvrage. La conception ainsi
que la mise en œuvre sont les clés de l’adéquation entre la performance fonctionnelle requise
2

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France
(mécanique, esthétique, feu, etc.) et l’utilisation efficace du matériau. L’empreinte
environnementale sera le résultat de la combinaison des caractéristiques intrinsèques et de
l’adéquation du matériau à remplir la fonctionnalité attendue.
3. Performances intrinsèques du matériau
3.1. Ce qui différencie la matrice UHPFRC d’un béton conventionnel
Les travaux menés depuis une trentaine d’années sur la microstructure des silicates résultants de
l’hydratation du ciment, basés sur des modèles de diffusion, ont mené au concept des « inner » et
« outer products » [4], deux types d’hydrates caractérisés par la cinétique de cristallisation et la
densification progressive des précipités à la surface des grains de clinkers par rapport aux
hydrates formés dans la pâte de ciment inter-granulaire [5]. La mesure de leurs différences de
densités de matière a amené à les appeler respectivement « LD » (low density) et « HD » (high
density) [6],,[7]. Plus récemment, les analyses menées d’un point de vue mécanique grâce aux
méthodes de nano-indentation développées par F. Sorrentino [8], adaptées à une pâte cimentaire
et perfectionnées (méthodes de préparation d’échantillons, interprétation) par F.J. Ulm [9], ont
confirmé l’identification de deux populations d’hydrates aux performances mécaniques distinctes
(module de Young, ténacité, raideur), comme le montrent les graphiques de la figure 1 cidessous,
recoupant les caractéristiques physicochimiques en particulier à travers le calcul de la
« packing density ».
On ne parle pas, à cette échelle, des porosités microscopiques ou macroscopiques, liées à
l’évaporation de l’eau ou aux micro-bulles d’air (tout comme les fissures et microfissures), ces
artefacts de mesure étant éliminés lors de l’établissement de la « grille » d’indentation controlée
au microscope (les indentations sont répétées à intervalles réguliers sur une surface donnée,
constituant une grille d’environ 200 mesures) [10], [11].
Lorsqu’on applique la même méthode à une matrice Ductal ® , on constate des différences
fondamentales de répartition entre les différents types d’hydrates de basse et de haute densité,
qui sont à l’origine des différences de compacité observées à l’échelle macro, comme on peut le
voir sur la figure 2 ci-dessous (extraits des travaux menés en collaboration avec le MIT)
Low density ~ 70 %
High density ~ 30 %
Frequency
6
5
4
3
2
Experimental
PDF
Theoretical
PDF
1
0
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Packing Density, η
3

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Fig. 1 Characterics of nanoscale hydration products in an ordinary concrete matrix
High density ~ 85 %
Low density ~ 15 %
Frequency
12 6
10 5
48
36
24
Experimental
PDF
Theoretical
Theoretical
PDF
PDF
12
0
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Packing Density, η
Fig. 2 Characteristics of nanoscale hydration products in a Ductal ® matrix- E/C = 0.24
Les derniers travaux tendent à montrer une troisième population aux performances mécaniques
encore supérieures [12].
Les niveaux de densité obtenus sont très au-delà d’un empilement de sphères et même
d’empilements les plus optimisés comme des éléments ellipsoïdes [13], qui explique également
les différences très grandes entre les caractéristiques de diffusion des ions par rapport à un béton.
C’est à cette échelle que se jouent les propriétés exceptionnelles de ce matériau tant au plan
mécanique (très faible coefficient de fluage, importantes résistances en compression) que
résistance aux environnements les plus sévères, en limitant les porosités tant micro- que
nanométriques.
3.2. Les enjeux en termes de développement durable
Les tests habituels de durabilité menés pendant plusieurs années sont à rapprocher du
comportement observé avec maintenant pratiquement dix années de recul pour le BPR,
précurseur des UHPFRC en particulier du Ductal ® .
Les résultats sont très cohérents qui montrent, tant en ce qui concerne les poutres installées dans
les aéro-réfrigérants de la centrale électrique de Cattenom (Fr) depuis 8 années que les pieux de
tests installés sur une base américaines qui subissent depuis 12 ans deux fois par jour des cycles
alternés d’immersion et retrait dans de l’eau de mer, qu’aucune dégradation n’est intervenue.
Ces résultats permettent d’envisager une optimisation de l’utilisation du matériau à travers des
designs adaptés qui tiennent compte des possibilités qui sont désormais ouvertes. De tels designs
ont été approchés, mais les réglementations et codes de calculs actuels ne permettent pas d’aller
aussi loin en termes d’optimisation que ne le laissent envisager tant la compréhension à la plus
fine échelle du matériau que des ses performances macro. Un exemple connu est celui des
épaisseurs, qui restent dans l’ambiguité d’un code définissant des minima d’enrobage qui ne sont
pas pertinents dans le cas des UHPFRC.
4

UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France
La capacité à maîtriser la mise en œuvre de ces matériaux est également un élément essentiel de
la performance finale de l’ouvrage, car conditionne la durabilité de l’ouvrage bien au-delà de
celle du matériau.
Les caractéristiques environnementales du matériau sont trop souvent mises en avant qui peuvent
laisser croire que la conception est du second ordre, comme si toutes les conceptions étaient
optimales, comme si les caractéristiques spécifiques du matériau n’induisaient pas des
contraintes qui rendent les solutions parfois difficiles à comparer comme nous allons le voir.
Pour illustrer ce propos nous allons décrire les analyses effectuées sur deux types de projets : un
ouvrage d’art et un concept de bâtiment résidentiel.
Seule la démarche complète appliquée à l’ensemble de la réalisation, y compris ses phases
préparatoires, permet d’évaluer une solution, comme le demandent de plus en plus souvent les
maîtres d’œuvre.
4. Description de l’analyse de cycle de vie du matériau « frais »
L’analyse du cycle de vie d’une unité de volume (m 3 ) de Ductal® en sortie de malaxeur a été
réalisée par Ecobilan 1 et prend en compte toutes les étapes de production et de transport depuis
l’extraction des matières premières jusqu’à la préfabrication du béton, soit :
- extraction et transport des matières premières utilisées : calcaire, argile, etc.
- production des produits intermédiaires : ciment, sable, fines, ultrafines, fibres, adjuvants,
énergies et eau,
- transformations successives des différentes matières,
- les approvisionnements de matières transformées (transport),
- la fabrication du béton fini.
L’ensemble des données a été collecté à partir des fournisseurs et prestataires concernés. Dans le
cas de Ductal ® , une analyse fine et exhaustive a pu être menée, disposant en interne de tous les
éléments nécessaires.
D’un point de vue général, on soulignera toutefois qu’il existe parfois des incertitudes inhérentes
à l’absence de « traçabilité » de certains composants en particulier concernant la capacité à
identifier complètement le processus de transformation suivi pour les fabriquer, qui peut résulter
de combinaisons de différents procédés, question que nous illustrons avec l’exemple des fers à
béton.
Les fers à béton sont quasiment exclusivement produits à partir d’acier et fers recyclés en four
électrique et il se pose la question de quelle part des valeurs initiales des paramètres
environnementaux (en particulier énergie primaire) est attribuée aux éléments recyclés, y
compris transport (question des « allocations » suivant la terminologie ACV). Les valeurs
attribuées à l’acier tiennent compte en général d’un taux de recyclage moyen des ferrailles, sans
référence à la situation réelle précise de telle réalisation.
En revanche, dans le cas des fibres utilisées dans Ductal ® , s’agissant d’une qualité d’acier à très
forte résistance en traction, les aciers utilisés sont exempts de recyclage.
Dans la comparaison de solutions, il convient donc de s’assurer que les valeurs prises en compte
soient cohérentes pour chacun des composants à chaque étape de transformation entre les deux
estimations.
Les valeurs disponibles sur internet, ou auprès des organismes professionnels, sont rarement
documentées de manière suffisamment précise pour permettre d’éviter ces écueils.
Dans le cas du ciment et des autres composants utilisés dans l’étude présentée ci-dessous, tous
les paramètres ont été mesurés sur chacune des étapes de transformation et en tenant compte de
la localisation : l’impact des transports pouvant être important parfois prépondérant par rapport
au contenu propre du matériau à l’instar des sables et granulats.
1 Ecobilan entreprise établie depuis 1990, est spécialisée et leader en France des analyses ACV – (PriceWaterfhouseCoopers)
5

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Dans le cas de Ductal ® , il existe une gamme de produits permettant de répondre à des exigences
de performances très différentes, soit pour des structures, soit pour des éléments de façade et
parement, soit pour de la décoration.
La variabilité en termes d’impacts environnementaux est importante, bien que certaines matières
utilisées soient les mêmes. Elle tient essentiellement aux variations de composition :
-
-
type et quantités de ciment,
nature des fibres et renforts,
- nature des granulats,
- types et quantités d’adjuvants,
- rapport E/C.
Le graphique ci-dessous présente les résultats des évaluations faites sur 4 formulations
différentes.
1.00
Form 1 Form 2 Form 3 Form 4
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
Energie primaire
totale
Changement
climatique
Epuisement des
ressources
abiotiques
Acidification
atmosphérique
Eutrophisation de
l'eau
Fig. 3 Comparaison des ICV 2 de différentes formulations de Ductal ®
Consommation
d'eau totale
Ces résultats tels que présentés peuvent induire des conclusions hâtives totalement erronées. Les
usages envisagés pour ces différentes formulations sont très différents correspondant à des
fonctionnalités des ouvrages différentes, qu’on ne peut comparer entre elles.
L’analyse de cycle de vie se rapporte nécessairement à une unité fonctionnelle, à un système et à
des frontières clairement définies, sortie de ce contexte elle n’a pas de sens.
A noter également que les UHPFRC sont des matériaux émergents qui n’atteignent pas des
volumes mis en œuvre comparables aux grands matériaux de construction tels les bétons
ordinaires ou l’acier. Ceci induit un biais dans la comparaison entre UHPFRC et matériaux
traditionnels qui, eux, bénéficient d’un effet d’échelle et d’expérience qui n’est pas pris en
compte.
5. Application de l’analyse de cycle de vie (ACV) à un ouvrage
Nous proposons d’illustrer l’intérêt des UHPFRC dans la construction durable sur les deux
exemples ci-dessous,
- l’un dans le domaine du génie civil, comparant deux ponts qui représentent un type
d’ouvrage très répandu (plus des deux tiers des ponts construits annuellement en France),
2 ICV : inventaire du cycle de vie, résultat de l’analyse du cycle de vie (ACV)
6

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- l’un dans le domaine de la construction : un concept de maison réalisée à partir
d’éléments préfabriqués.
5.1. Analyse d’un pont routier
L’ouvrage à l’étude est d’un pont standard de 30 m de portée - sans appui intermédiaire - à 2
voies de circulation. La réalisation d’une ACV, qui a consisté en une comparaison
environnementale de deux conceptions :
- pont mixte (structure en acier avec tablier en béton) ;
- pont en Ductal® (structure de poutre-tablier)
a permis de prendre en compte, à l’échelle de l’ouvrage, les gains rendus possibles par la
performance des matériaux UHPFRC, au niveau du mode constructif.
5.1.1. Caractéristiques de l’ouvrage
L’objectif était de comparer la solution la plus utilisée en France, le pont dit « mixte » constitué
d’un treillis de poutrelles en acier et d’un tablier en béton traditionnel à une solution innovante
réalisée en UHPFRC dont le design optimisé correspond à une forme en Pi. Ce sont donc des
poutres-tablier assemblées par clavetage.
Il existe plusieurs référence de ce type d’ouvrage en Amérique du Nord (Iowa, Virginia)
5.1.2. Résultats et performances
La comparaison est ici illustrée sur 3 critères :
- Consommation d’énergie primaire totale ;
- Contribution à l’effet de serre ;
- Epuisement des ressources naturelles et énergétiques ;
Pont mixte
Pont Ductal®
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
Energie primaire totale Changement climatique Epuisement des ressources
abiotiques
Fig. 4 Comparaison de l’impact environnemental des deux conceptions de Ponts
7

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Réalisée dans le cadre d’hypothèses réalistes concernant l’extraction, la production des
matériaux, le transport, la construction, la maintenance et la fin de vie, les conclusions de l’ACV
sont sans appel. Le pont en Ductal® se révèle largement plus performant en termes d'empreinte
environnementale qu'un pont mixte, en particulier à travers la forte réduction sur les quantités de
matériaux mises en œuvre.
5.2. Concept de maison individuelle préfabriquée
L’objectif de cette étude était d’évaluer le potentiel d’amélioration des performances
environnementales d’une maison individuelle intégrant des éléments préfabriqués en UHPFRC
par rapport à la construction traditionnelle.
5.2.1. Présentation
Nous avons donc comparé les impacts sur l’environnement de deux maisons individuelles.
Dans les deux cas, il s’agit de bâtiments situés en région parisienne de 100 m², de plein pied, de
distributions intérieures similaires, assurant la fonction de résidence principale sur l’année et
garantissant les mêmes conditions de confort thermique et acoustique.
Le détail de la solution traditionnelle est porté ci-dessous :
- Fondations : semelles filantes en béton traditionnel coulé en place ;
- Plancher sur vide sanitaire : type poutrelles béton et entrevous en PSE ;
- Murs extérieurs et porteurs : blocs béton isolés par l’intérieur (Complexe de doublage
plaque de plâtre + PSE 80 mm ; résistance thermique de 2.15 K.m²/W)
- Cloisons : plaques de plâtre isolées acoustiquement ;
- Toiture traditionnelle : couverture en tuiles terre cuite sur charpente bois et isolée par
laine minérale ;
La maison conçue à partir d’éléments préfabriqués modulaires repose quant à elle sur le principe
d’une ossature en UHPFRC ; Le mur est réalisé selon le concept de « sandwich » intégrant une
peau extérieure en UHPFRC, une épaisseur d’isolant thermique et acoustique et une plaque de
plâtre pour la finition, côté intérieur.
Ces deux habitations ont été dimensionnées pour atteindre rigoureusement la même performance
énergétique, satisfaisant à la règlementation thermique française actuelle (RT2005). Leur besoin
de chauffage s’élève à 80 kWh/m 2 .an, soit une consommation conventionnelle d’énergie
primaire de l’ordre de 115 kWh/m².an (chauffage et eau chaude sanitaire au gaz). Une
performance énergétique nettement supérieure aurait pu être atteinte dans les deux cas mais
l’objectif de l’étude n’était pas là. Il s’agissait bien d’évaluer l’apport éventuel d’un matériau
innovant comme l’UHPFRC.
Dans cette analyse de cycle de vie, aucun équipement (chaudière, radiateurs, … ordinateurs, etc.)
ou élément de finition n’a été pris en compte car ces éléments ne sont pas discriminants entre les
deux conceptions proposées.
Les données environnementales utilisées sont issues des FDES (fiches de déclaration
environnementales et sanitaires) répertoriées sur la base INIES du CSTB et de la base de
données Ecobilan pour le Ductal®.
5.2.2. Résultats et performances
La comparaison est menée sur la base des 4 critères principaux :
- Consommation d’énergie primaire totale ;
- Contribution à l’effet de serre ;
- Epuisement des ressources naturelles et énergétiques ;
8

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- Acidification de l’air ;
La comparaison met en évidence un écart important de l’ordre de 18 à 30 %.
Pour illustrer ce propos, un élément très visible et significatif est la réduction de la masse des
matériaux mis en œuvre pour la partie béton : 65 tonnes en traditionnel contre 19 tonnes de
Ductal ® , soit un facteur de réduction supérieur à trois.
(Ce comparatif est assez conservatif, par exemple l’impact de la réduction des masses de béton
n’a pas été pris en compte dans le dimensionnement des fondations).
Maison traditionnelle
Concept Ductal®
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
Energie primaire
totale
Changement
climatique
Fig. 5 Comparaison de l’impact environnemental sur 4 critères
(sur les phases de production des matériaux et construction de la maison, l’usage étant identique)
5.2.3. Compléments et autres leviers potentiels
Si on observe la contribution des différents éléments fonctionnels de la maison, il apparait que
les murs sont relativement peu discriminants en première analyse – ce qui est prévisible étant
donné qu’on peut assez facilement aligner les performances de ces deux systèmes, toutefois le
système constructif reposant sur des murs « sandwich » réalisés en usines permet d’atteindre une
haute performance en étanchéité à l’air. Les déperditions liées à la perméabilité à l’air d’un
logement peuvent atteindre 20 à 30 kWh/m 2 .an ce qui reviendrait, sur l’exemple analysé cidessus,
à une augmentation de 17 à 26 % de la consommation énergétique totale.
Le système de plancher est beaucoup plus différenciant : le matériau offre en effet la possibilité
d’atteindre une performance difficilement accessible dans la construction traditionnelle.
Un enjeu important, non intégré dans ces résultats mais qui renforce la pertinence d’une solution
préfabriquée en Ductal ® , est celui du mode de mise en œuvre :
- la construction traditionnelle fait appel à une multitude d’intervenants chargés
d’approvisionner et installer des éléments sans optimisation : les différents corps de
métiers qui ne sont pas présents simultanément sur le chantier, sans parler des aléas, ce qui
induit une fragmentation très importante des transports relatifs à ces éléments. Un rapide
9
Epuisement des
ressources
abiotiques
Acidification
atmosphérique

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calcul sur ces bases montre que l’impact sur la performance globale est très significatif,
entre 15 et 30 %.
- Par l’utilisation de modules préfabriqués en usine et assemblés sur place en un nombre très
limité d’opérations, on introduit une importante rationalisation du chantier qui conduit à
une amélioration non seulement de l’impact environnemental direct, mais également de la
qualité de la construction.
6. Remerciements
Nous remercions ici tous ceux qui ont contribué par leurs connaissances et
leurs travaux à établir ces résultats, en particulier P. Acker, M. Behloul, G.
Chanvillard, les Professeurs H. Jennings et F.J. Ulm, les professeurs du
master « Science des matériaux pour la Construction durable » de l’Ecole
des Ponts et de l’Ecole Polytechnique, en particulier Hélène
Teulon.Références
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[6] J. Thomas, H. M. Jennings, A. Allen, “The surface area of cement paste as measured by
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905, (1998)
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10