The objective of this work is the characterization of unsaturated cement paste porosity through the use of ultrasonics. The correlation between ultrasonic velocity and porosity in cement paste material is studied based on both micromechanical modelling and experiments.

Experimental measurements of ultrasonic longitudinal and transverse velocities as a function of water to cement ratio were performed on cement paste with and without air-entrained adjuvant. Different saturation states were considered within both materials. The longitudinal and transverse velocities showed a decrease when increasing the W/C ratios.

In the micromechanical modeling, the porous structure was modelled by spherical pores arbitrary embedded in a nonporous cementitious matrix. The effects of saturation were modeled by approximating the porous structure as a penny shaped ellipsoidal inclusions of aspect ratio varying with the W/C ratio. Several different micromechanical models for estimating the homogenized elastic moduli of cement paste and air-entrained cement paste were studied. The micromechanical modelling has shown that the longitudinal and transverse wave velocities of the dry cement paste are lower than those of the water saturated cement paste. This effect is equally prominent for all the cement paste W/C ratios (or porosities).

The model of Mori-Tanaka was found to give the best fit with the experimental results for the cement paste modeling. While, the self-consistent model gave the best estimate of the mechanical and ultrasonic air-entrained cement paste properties when compared to the laboratory experimental results. The measured velocities on the cement paste samples as a function of porosity and saturation were found by varying the inclusions aspect ratio.

The findings of this work should be most appropriate as a foundation for an inversion process and improved cementitious material porosity determination by nondestructive methods.

L’objectif de cette thèse est la caractérisation de la porosité de la pâte de ciment partiellement saturée par des ondes ultrasonores. Les corrélations entre les vitesses ultrasonores et la porosité ont été étudiées en se basant à la fois sur les résultats expérimentaux et la modélisation micromécanique.

Des mesures expérimentales de vitesses ultrasonores longitudinales et transversales en fonction du rapport eau/ciment ont été effectuées sur la pâte de ciment avec et sans entraîneur d’air. Différents états de saturation ont été considérés pour les deux matériaux. Les vitesses longitudinales et transversales ont montré une décroissance lors de l’augmentation du rapport E/C.

En modélisation micromécanique, les effets de saturation ont été modélisés en supposant que la structure poreuse est formée d’inclusions ellipsoïdales de facteur de forme variable selon le rapport E/C. Afin d’estimer les modules homogénéisés élastique de la pâte de ciment et de pâte de ciment à entraîneur d’air différents modèles micromécaniques ont été étudiés. Les résultats de la modélisation micromécanique ainsi que les résultats expérimentaux ont montré que les vitesses des ondes longitudinales et transversales de la pâte de ciment à l’état sec sont inférieures à ceux de l’état saturé. Cet effet est tout aussi important pour l’ensemble des rapports E/C (ou porosités).

Le modèle de Mori-Tanaka a donné la meilleure estimation des résultats expérimentaux mesurés sur la pâte de ciment. Alors que le modèle auto-cohérente a donné la meilleure estimation des propriétés mécaniques et ultrasonores de la pâte de ciment avec entraîneur d’air. Les vitesses mesurées sur les échantillons de pâte de ciment en fonction de la porosité et la saturation ont été retrouvées en faisant varier le facteur de forme des pores.

Les résultats de ce travail devraient être les plus appropriés en tant que fondement d’un processus d’inversion et l’amélioration de la détermination de la porosité de la pâte de ciment par les ultrasons en tant que méthodes non destructives.