Improving mechanical properties of concrete from inserted carbon nanotubes : a molecular dynamics study

La production de nouvelles générations de béton avec des propriétés physiques, structurales et techniques améliorées est très importante, mais elle n'est pas possible sans utiliser divers types d'additifs. Les nanotubes de carbone sont des matériaux prometteurs qui possèdent des propriétés spécifiques permettant leurs utilisations pour une grande variété de matériaux composites, y compris le béton. Certaines études expérimentales ont révélé que les nanotubes de carbone peuvent améliorer les propriétés mécaniques du béton avec une petite quantité d'additifs, en fournissant une structure moins défectueuse de la matrice de ciment. Cependant, les résultats sont encore insuffisants et nécessitent d'être élucidés sur les processus se produisant à l'échelle nanométrique dans la structure en béton modifiée par les nanotubes de carbone. Ainsi, cette thèse, a pour objectif principal l'étude de l'amélioration des propriétés mécaniques du béton modifié par les nanotubes de carbone. Afin de modéliser la structure atomique du gel de la Silicate de Calcium Hydratée, nous avons choisi la tobermorite 11Å avec deux rapports différents de Ca/Si correspondants à 0,83 et 1. Divers types de nanotubes incorporés sont testés pour étudier les propriétés mécaniques du nouveau composite résultant. En outre, l'effet de la concentration de nanotubes de carbone dans le ciment est également détaillé. Enfin, nous étudions l'effet de la pression uniaxial sur la structure du béton incluant des nanotubes de carbone. Nos travaux montrent qu'il possible d'améliorer les caractéristiques mécaniques du béton en insérant des nanomatériaux en général, et des nanotubes de carbone en particulier.The production of new generations of concrete with improved physical, structural and technical properties is very important, but it is not possible without the use of various types of additives. Carbon nanotubes are promising materials that possess specific properties allowing their uses for a wide variety of composite materials, including concrete. Some experimental studies have revealed that carbon nanotubes can improve the mechanical properties of concrete with a small amount of additives, providing a less defective structure of the cement matrix. However, the results are still insufficient and need to be elucidated on the processes occurring at the nano-scale in the concrete structure modified by carbon nanotubes. Thus, this thesis has as main objective the study of the improvement of the mechanical properties of the concrete modified by the carbon nanotubes. In order to model the atomic structure of the Calcium Silicate Hydrates gel, tobermorite 11Å was selected with two different Ca/Si ratios corresponding to 0.83 and 1. Various types of nanotubes incorporated into the tobermorite 11Å structure were tested to study mechanical properties of the resulting new composite. In addition, the effect of the concentration of carbon nanotubes in the cement was also detailed. Finally, we studied the effect of uniaxial pressure on the concrete structure including carbon nanotubes. The work concludes that it is possible to improve the mechanical characteristics of concrete by inserting nano-materials in general, and carbon nanotubes in particular