L'intérêt grandissant des chercheurs et de l'industrie démontre l'énorme potentiel que les bétons renforcés de fibres (BRF) peuvent procurer aux ouvrages de béton armé. Afin de répondre aux enjeux modernes que pose la durabilité, il est nécessaire de maîtriser et d'anticiper les problèmes de fissuration. Ce projet de thèse a pour objectif d'identifier les mécanismes conduisant à la propagation de la fissuration sous charge soutenue, et de modéliser ces mécanismes par la méthode des éléments finis. Pour ce faire, trois programmes expérimentaux en plus des essais de caractérisation furent conduits sur des éprouvettes de différentes tailles en BRF : des poutrelles de 0.7 mètres ; quatre poutres de 4 mètres, une renforcée de fibres uniquement, une renforcée de barres d'armature traditionnelle, une de torons adhérents, et une de torons non-adhérents ; et enfin une poutre de 8 mètres. Les résultats permettent de comparer l'évolution du comportement global (flèche, complaisance, etc.) et du comportement local (ouvertures de fissures, nombre de fissures, etc.) pour trois grandeurs de poutres, et pour des conditions de renforcement différentes. Les résultats des essais sur les poutrelles montrent que la propagation de la fissuration gouverne la rupture des poutres en BRF soumises à des niveaux élevés de charge maintenue constante. Et qu'il existe une relation exponentielle entre les vitesses secondaires de flèche et d'ouverture de fissure et les niveaux élevés de charge maintenue constante. Les résultats des essais sur les poutres de 4 mètres montrent que le mécanisme moteur de la propagation de la fissuration des BRF sous charge soutenue conduisant à l'augmentation de la complaisance, et donc de l'évolution de l'endommagement global, est le même pour toutes les poutres, indépendamment du type de renforcement. De plus, la contribution de l'armature influence les vitesses secondaires de flèche une fois que l'efficacité du pontage des fibres diminue. La vitesse secondaire de flèche tend à diminuer lorsque la contribution du renforcement augmente. Finalement, la prédiction de l'évolution de la fissuration dans le temps dans le but d'accroître la durée de vie des structures est une perspective avantageuse et prometteuse que seuls les modèles numériques cohérents avec les mécanismes de fissuration des bétons peuvent offrir. À cet effet, un modèle numérique est proposé pour l'analyse de l'évolution de la fissuration des BRF sous charge soutenue à de hauts niveaux de chargement. Ce modèle est basé sur une approche probabiliste de la fissuration. Il a pour particularité de prendre en compte le rôle de l'hétérogénéité du matériau dans les processus de fissuration et notamment sur leur caractère aléatoire. La capacité du modèle numérique à prédire le comportement global et l'évolution de la fissuration est vérifiée à l'aide des résultats expérimentaux. Les résultats montrent que l'approche proposée est une des approches possibles pour simuler la propagation de la fissuration des BRF sous des niveaux élevés de chargement soutenu / The growing interest of researchers and of the construction industry demonstrates the enormous potential that steel fibre reinforced concrete (SFRC) may bring to reinforced concrete structures. In order to address modern durability concerns, it is necessary to control and anticipate cracking problems. This thesis aims to identify the thriving mechanisms of crack propagation under sustained loading, and simulate these mechanisms using a finite element approach. Three experimental programs were conducted on different SFRC specimen sizes: beams of 0.7 m; four beams of 4 m, one reinforced with steel fibres only, one with traditional reinforcement, one with bonded strands and one with unbonded strands; and one beam of 8 m. The results are used to compare the evolution of the global behaviour (deflection, compliance, etc.) and the local behaviour (crack openings, number of cracks, etc.) for three beam sizes and reinforcement conditions.For the small beams, the results show that crack propagation governs the failure of SFRC beams submitted to high sustained loadings and that an exponential relation exists between the secondary deflection and CMOD rates per unit load and sustained load levels greater than 60%, suggesting that the creep mechanism is the same regardless of the global or local scale of observation.For the 4 meters beams, the results show that the thriving mechanism of creep, resulting in the evolution of the compliance, and thus the evolution of the damage state under sustained loading, is the same for all beams, regardless of the reinforcement type. Moreover, the contribution of the reinforcement influences the secondary creep deflection rates once the efficiency of the bridging effect of fibres decreases. A greater contribution of the reinforcement leads to a lower secondary creep deflection rate.Finally, the prediction of the evolution of cracking in time in order to increase the lifetime of structures is an advantageous and promising perspective that only numerical models consistent with the cracking mechanisms of SFRC may offer. To this end, a numerical model is proposed to analyze the evolution of cracking of SFRC under high sustained loadings. This model is based on a probabilistic discrete cracking approach. The model takes into account the heterogeneity of the material in the cracking process, thus taking into account scale effects. The model is validated using the experimental results

Les dormants ferroviaires sont des éléments importants de la structure des chemins de fer. Ils constituent le lien de transfert entre les rails et le sol. Conventionnellement, les dormants nord-américains sont faits avec des madriers de bois. Depuis plusieurs années, différents matériaux ont été utilisés dans le but de trouver un choix alternatif. L’acier, le béton renforcé d’armature d’acier ou bien les matériaux composites ont tous été des matériaux qui ont été proposés dans le passé. Avec le temps, tous ces matériaux se détériorent et doivent être remplacés. L’objectif principal de cette étude est de trouver une solution alternative économique et durable composée de béton et de polymères renforcés de fibres de verre, de carbone ou de basalte (PRFV, PRFC, PRFB). Cette étude comprend deux volets principaux. Le premier volet porte sur les essais expérimentaux de 19 spécimens pour un total de 32 essais. La longueur totale des spécimens testés est de 2590 mm et ceux-ci ont une section transversale ayant une forme trapézoïdale avec une hauteur varient longitudinalement entre 190.5 mm et 241 mm. Ces spécimens sont testés en flexion quatre points aux extrémités, là où l’assise du rail se situe, ainsi qu’au centre. Dans les deux cas, les essais sont faits sous un chargement représentant en un premier temps l’application d’un moment positif et en un deuxième temps d’un moment négatif. Le second volet porte sur la l’analyse des résultats obtenus lors des essais. Dans cette section, le réseau de fissuration, la flèche, la déformation des barres ainsi que la déformation du béton sont analysés plus en détail. Ensuite une comparaison entre les résultats expérimentaux et les prédictions théoriques est effectuée. Cette comparaison traite de la validation des résistances obtenues en fonction des différentes normes nord-américaines ainsi que selon les exigences minimales des lignes directrices établie par l’American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA). Les résultats de cette étude profiteront aux compagnies propriétaires de réseau ferroviaire ainsi qu’aux fabricants d’éléments structuraux préfabriqués en béton armé. De plus, cette étude permettra le développement de réseaux ferroviaires plus durables pouvant accueillir des trains se déplaçant à de plus grandes vitesses et pouvant supporter de plus grandes charges lors du transport.

La réaction alcalis-granulat (RAG) fait partie des principaux processus affectant la durabilité des infrastructures en béton à travers le monde. Récemment, des chercheurs ont proposé un outil global de gestion (diagnosis et prognosis) de structures affectées par la RAG basé sur une série d’essais de laboratoire, incluant le Stiffness Damage Test (SDT) et le Damage Rating Index (DRI), des procédures micromécaniques d’évaluation de l’endommagement du béton. Quoique prometteurs, ces essais impliquent plusieurs paramètres dont l’impact n’est pas encore bien compris, ce qui réduit leur applicabilité à une vaste gamme de bétons (e.g. différentes formulations, types de mécanismes d’endommagement, variétés de granulats, etc.). Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre le mécanisme par lequel la RAG se développe et comment elle influence les propriétés physicomécaniques des bétons affectés, afin de pouvoir utiliser efficacement les outils mentionnés précédemment dans les contextes pratiques d’ingénierie. Pour atteindre cet objectif, des éprouvettes de béton de différentes résistances (25-45 MPa) et incorporant une variété de granulats réactifs et non réactifs (fins et grossiers) ont été fabriquées en laboratoire. Des essais mécaniques (SDT, traction, compression et module d’élasticité) et microscopiques (DRI) ont ensuite été effectués sur ces éprouvettes, à différents niveaux d’expansion, de façon à favoriser le caractère diagnostique optimal de chaque outil. Puis, le couplage micromécanique des résultats a été étudié en profondeur. Les résultats démontrent que le SDT et le DRI permettent une évaluation diagnostique de l’endommagement associable à la RAG lorsqu’un certain nombre de paramètres critiques sont respectés. Les données optimales de sortie de ces essais sont ainsi basées sur des mesures « mécaniques » (énergie dissipée/déformation plastique, valeurs brutes ou indices relatifs) ou microstructurales (nombre/type de fissures) au sein des bétons affectés. En plus, un modèle microstructural qualitatif de l’endommagement de bétons en fonction de l’avancement de la RAG a été proposé. De même, le couplage micromécanique a permis d’expliquer efficacement l’influence de ce mécanisme sur les pertes de propriétés mécaniques de bétons affectés. Finalement, une charte permettant l’évaluation globale de l’endommagement de bétons affectés par la RAG est proposée. Mots clés: Réaction alcalis-granulat (RAG), couplage microscopique/mécanique, évaluation de l’endommagement des infrastructures en béton vieillissantes. / Alkali-aggregate reaction (AAR) is one of the main processes affecting the durability of concrete infrastructures worldwide. Recently, researchers proposed a comprehensive management tool for the diagnosis and prognosis of AAR affected structures based on a series of laboratory test procedures, including the Stiffness Damage Test (SDT) and the Damage Rating Index (DRI), micromechanical procedures for assessing damage in concrete. Although promising, these tests still have several parameters whose impact is not well understood, which reduces significantly their applicability for a wide range of distressed concretes (i.e. different concrete mix designs, damage mechanisms, variety of aggregate types, etc). This PhD project aims at better understanding how AAR develops and influences the physicomechanical properties of affected concrete, in order to use more effectively the tools mentioned previously in practical engineering applications. To achieve this goal, concrete samples of different mix design strenghts (25-45 MPa) incorporating a wide variety of both reactive and non-reactive aggregates (coarse and fine) were manufactured in the laboratory. Mechanical (SDT, tensile and compressive strengths and modulus of elasticity) and microscopic (DRI) tests were then performed on these samples at different expansion levels, in order to determine the optimal conditions enabling the effective diagnostic character through each tool. Then, the micromechanical coupling of the results was studied in depth. The results show that both the SDT and the DRI are able to provide a diagnostic damage assessment of concrete distressed due to AAR when a number of critical parameters are adopted. The optimal output data from those procedures are thus based on either "mechanical" (dissipated energy/ plastic deformation, absolute values or indices) or microstructural (number /crack types) measurements on the affected material. Moreover, a qualitative microscopic damage model towards AAR development was proposed. Likewise, the above micromechanical coupling allowed to effectively explaining the impact of AAR on the reductions of the mechanical properties of affected concretes. Finally, a comprehensive chart enabling the overall damage assessment of concrete affected by AAR is proposed. Keywords: alkali-aggregate reaction (AAR), microscopic/mechanical coupling, assessment of damage in aging concrete infrastructure.

Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l'oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d'eau et d'oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l'acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d'abord, la fiabilité de l'approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST, % en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu'une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d'être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d'autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d'oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l'expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d'oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d'évaluer quantitativement le potentiel d'oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d'oxygène dans la partie supérieure d'un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d'oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d'oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d'épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d'oxygène consommé. Finalement, un protocole d'évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d'oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d'un plus large éventail de granulats. / In the Trois-Rivières area (Quebec, Canada), more than 1 000 houses and commercial buildings are showing serious concrete deterioration problems. The deterioration problems are related to the oxidation of sulfide-bearing aggregates used for concrete manufacturing. This PhD project aims to better understand the mechanisms responsible for the deterioration of concrete incorporating sulfide-bearing aggregates in order to develop a methodology to efficiently evaluate the potential reactivity of such types of aggregates. A detailed petrographic examination of core samples extracted from concrete house foundations showing various degrees of severity was carried out. The problematic aggregate was identified as an hypersthene’s gabbro incorporating various proportions (according to different locations in the two originating quarries) of pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite and pentlandite. Secondary reaction products observed in degraded core samples include “rust” mineral forms, gypsum, ettringite and thaumasite. For those observations, it was concluded that, in presence of water and oxygen, pyrrhotite oxidizes to form iron oxyhydroxides and sulfuric acid that provokes a sulfate attack in concrete. First, the reliability of the chemical approach proposed in the European Standards NF EN 12 620, which consists in the measurement of the total sulfur content (ST, % by mass) in the aggregate to detect the presence (or not) of iron sulfide minerals, was critically evaluated. About 50% (21/43) of the aggregate materials tested, representing a variety of rock types / lithologies, showed a ST > 0.10%, showing that a significant proportion of rock types does contain a noticeable amount of sulfide, which for most of them, are likely to be innocuous in concrete. Such rock types / aggregates would however require further testing to identify the potential presence of pyrrhotite considering the ST limit of 0.10% proposed in European standards. Based on extensive literature reviews and laboratory investigations, a two-phase accelerated mortar bar expansion test was then developed to reproduce, in the laboratory, the deterioration mechanisms observed on site. The test consists in 90 days of storage at 80°C/80% RH, with 2 three-hour wetting cycles per week in a 6% sodium hypochlorite (bleach) solution (Phase I) followed by up to 90 days of storage at 4°C/100% RH (Phase II). Aggregates with oxidation potential presented an expansion over 0.10% during Phase 1, while thaumasite formation potential is detected by rapid regain of expansion followed by destruction of the samples during Phase II. Also, an oxygen consumption test was modified from research carried out in the context of acid rock drainage, to quantitatively assess the sulfide oxidation potential of concrete aggregates. The technique measures the oxygen consumption rate at the top of a closed cylinder containing a layer of compacted material to determine its oxidation potential. Optimized testing parameters include an aggregate particle size inferior to 150 μm at 40% saturation, a ratio of 10 cm of aggregate material thickness for 10 cm headspace and 3 hours testing at 22ᵒC. The results thus obtained showed that the test is able to discriminate the aggregates containing iron sulfide minerals from the control aggregates with a threshold limit fixed at 5% oxygen consumed. Finally, an assessment protocol was proposed to evaluate the potential deleterious effects of iron sulfide bearing aggregates when used in concrete. The protocol is divided into 3 major phases: (1) total sulfur content measurement, (2) oxygen consumption evaluation, and (3) an accelerated mortar bar expansion test. Tentative limits are proposed for each phase of the protocol, which still need to be validated through the testing of a wider range of aggregates.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Les structures composites bois-béton sont largement utilisées aujourd’hui grâce à l’optimisation des performances et du coût de la structure qu’elles permettent. Le comportement de ces structures dépend fortement de la connexion entre les deux matériaux. La conception de ce type d’ouvrage peut rapidement devenir complexe, car il existe une multitude de connecteurs qui ont tout un chacun des comportements qui peuvent être très différents des uns des autres. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique qui permet de calculer avec précision les fréquences naturelles d’une poutre composite est présenté et implémenté. De plus, un modèle qui permet de prédire le comportement statique d’un connecteur ponctuel et d’une poutre composite en tenant compte du comportement non linéaire de chacun des matériaux est présenté et implémenté. Ces modèles reproduisent très bien les essais expérimentaux. Avec les simulations effectuées, il a pu être conclu qu’un connecteur dimensionnable serait l’idéal pour achever une performance ductile d’une poutre composite bois-béton. L’idée de ce type de connecteur est donc explorée et testée en laboratoire. Garantir une performance ductile rend la structure plus sécuritaire et permet ainsi d’augmenter l’utilisation du bois dans le secteur non résidentiel de la construction. / The timber-concrete composite structures are widely used today because they allow the performance optimization and the structure cost. The behaviour of timber concrete composite (TCC) structures depends heavily on the connection between the two materials. The design of this type of structure can quickly become complex because there are a host of connectors whose behaviour may be very different from each other. In this master thesis, a numerical model that can accurately calculate the natural frequencies of a composite beam is introduced and implemented. In addition, a model that predicts the static behaviour of a discrete connector and of a composite beam by taking into account the non linear behaviour of each material is presented and implemented. These models reproduce very well the experimental tests.With simulations, it has been found that an engineered connector would be ideal to provide for a ductile performance of a TCC beam. The idea of this type of connector is explored and tested in a laboratory. Ensure ductile performance makes the structure more secure and thus can increase the use of wood in non-residential construction sector.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’influence de la température sur le comportement au jeune âge du béton. Pour évaluer les propriétés du béton au jeune âge, le Centre de recherche sur les infrastructures en béton de l’Université Laval a développé un appareil (R2D2) permettant de mesurer les déformations du béton. Cet appareil était utilisé seulement en conditions isothermes. Pour imposer des variations de température au béton, il a fallu revoir la conception de l’appareil et la valider expérimentalement. Une application informatique a d’abord été développée pour permettre l’imposition de variations de température à l’appareil R2D2. Ensuite, une vérification du comportement de l’appareil lors des variations de température a été nécessaire. Une étude sur la distribution de la température dans le béton ainsi que de la fonctionnalité des appareils de mesures a ainsi été réalisée. Les appareils de mesure n’étant pas initialement adaptés pour subir des variations de température, il a fallu apporter quelques modifications matérielles à l’appareil. Finalement, une méthode de calcul pour évaluer l’évolution du coefficient de dilatation thermique (CDT) du béton au jeune âge a été proposée et les résultats de cette évolution ont été analysés pour six différents mélanges. Les modifications apportées à l’appareil ont permis de développer une méthode de calcul du CDT qui permet d’éliminer les erreurs parasites causées par les variations thermiques. En effet, en imposant des cycles de température au béton, l’appareil R2D2 subissait également des variations thermiques qui influençaient les résultats. Les modifications de l’appareil ainsi que la procédure utilisée pour calculer le CDT du béton ont permis d’éliminer ces erreurs. L’étude effectuée sur les mélanges de béton a permis de démontrer que le type de ciment n’a pas une influence majeure sur le CDT du béton au jeune âge. Par contre, le rapport eau-ciment a plus d’influence sur le CDT du béton au jeune âge. De façon générale, plus le rapport eau-ciment est élevé, plus le CDT du béton au jeune âge est élevé. / This project research concerns the influence of temperature on the early-age behaviour of young age concrete. The Centre de recherche sur les infrastructures en béton has developped a device (R2D2) that measures the displacements in concrete. Until now, this device was only used to measure the displacements in concrete under isothermal conditions. In order to use the R2D2 device under thermal variations, the design on the apparatus had to be revised. First, a software had to be created in order to control the thermal variations of concrete. Secondly, the device’s behaviour under thermal variations was evaluated. A study on the distribution of the temperature in the concrete and on the functionality of the data acquisition system was also carried out. The data acquisition system was not properly adapted for thermal variations so some material modifications were necessary. Finally, a method to calculate the evolution of the thermal dilation coefficient (TDC) of early-age concrete and the results of that evolution for six different concretes were analysed. The modifications that were made on the apparatus allowed to develop a method to calculate the TDC so that the errors caused by the thermal variation of the apparatus were eliminated. During the thermal variations tests, the apparatus was also undergoing thermal variations which caused errors in the TDC calculation. Once the modifications were made, the errors were eliminated and a better evaluation of the early-age concrete TDC was obtained. The study made on the six different concretes has demonstrated that the type of cement does not have a major influence on the early-age concrete TDC. On the contrary, the water-cement ratio seems to have an influence on the early-age values of the TDC. In general, the higher the water-cement ratio is, the higher is the early-age concrete TDC.

Les bâtiments actuels faits de pièces en béton préfabriqué utilisent généralement des assemblages qui n’offrent que peu ou pas de continuité à la structure. Il en résulte une sous utilisation importante des matériaux par rapport à une même structure se comportant de façon monolithique. Plusieurs études portant sur des assemblages rigides, soudés ou assemblés par post-tension, ont déjà été réalisées. Bien que structuralement viable, aucun de ces modèles ne s'est avéré capable de répondre pleinement aux besoins de l'industrie. Les tolérances de construction trop serrées et la complexité de réalisation ont souvent posé problème. Les travaux présentés ici portent donc sur le développement d'un assemblage rigide boulonné, utilisable à grande échelle, destiné à l'industrie du bâtiment multiétagé en béton préfabriqué. L'étude entreprise comporte deux phases, soit la conception du système structural et la détermination de la rigidité des assemblages. Les résultats obtenus sont utilisés afin de comparer le nouveau concept aux charpentes actuelles. La démarche d’analyse s’appuie sur le logiciel VisualDesign pour élaborer la structure du bâtiment, et sur le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS pour la caractérisation du comportement des assemblages. Les efforts de recherche ont été orientés de manière à établir la faisabilité du modèle, afin de permettre le développement futur de projets de recherche en partenariat avec l’industrie. / To this day, the connections of precast concrete buildings offer little or no continuity to the structure. Consequently, when compared to monolithic structures, the material is clearly not used to its full capacity. Studies on rigid connections, welded or assembled by post tension, have been carried out by a few investigators. Although structurally valid, none of the proposed connections proved able to meet the needs of the construction industry, due to stringent erection tolerances and complexity of assembly. The work presented here concerns the development of a bolted rigid connection system likely to be used on a large scale by the precast concrete construction industry. The study is separated in two parts. The first is concerned with the development and tuning of the new structural system while the second one deals with the determination of the rigidity of the proposed connection. The connection behaviour is then used to compare the amount of material used in the new system and the actual precast system. The software Visual Design was used to analyse the building structure, and the finite element software ANSYS to determine the characteristic behaviour of the new connection. The intent of the research is to establish the feasibility of the proposed model, so that future research and development efforts can be carried out in partnership with the precast industry.

Le but de ce projet est de comprendre l’effet des cycles de gel/dégel sur le comportement en mécanique des poutres en béton armé de PRFB ainsi que le développement des capacités structurales des PRFB dans un renforcement interne. Afin de réaliser cette étude, vingt poutres en béton armé de PRFB ont été préparées et exposées à deux environnements différents le premier à une température ambiante et le deuxième à 260 cycles de gel/dégel de (-250C, à +150C). Le projet inclut aussi deux autres paramètres, le premier est le taux de renforcement qui est caractérisé par deux groupes (groupe 1) inclut des poutres sur armées et le (groupe 2) inclut des poutres sous-armées, le deuxième paramètre est le rapport entre la portée du cisaillement (a) et la profondeur de la poutre (d), (a/d). Les poutres ont été testées en flexion de quatre points. Les conclusions obtenues varient en fonction des paramètres étudiés. / The objective of this project is to study the effect of freeze-and-thaw cycles on the mechanical performance of concrete beams reinforced with basalt fibre-reinforced polymers (BFRP) bars that are recently developed. Twenty concrete beams reinforced with BFRP bars were cast and exposed to two different environments: (a) room temperature and (b) 260 cycles of freeze-and-thaw at temperature varying between 25oC and +15oC. The project investigated two other parameters namely (a) the internal reinforcement ratio (under and over reinforced beams) and the shear span-to-depth ratio (a / d). All beams were tested in four point bending. The experimental results were compared to the predictions of the Canadian code. The effect of each parameter on the behaviour of the beams is presented and discussed.

Ce travail évalue le comportement mécanique des matériaux cimentaires à différentes échelles de distance. Premièrement, les propriétés mécaniques du béton produit avec un bioplastifiant à base de microorganismes efficaces (EM) sont etudiées par nanoindentation statistique, et comparées aux propriétés mécaniques du béton produit avec un superplastifiant ordinaire (SP). Il est trouvé que l’ajout de bioplastifiant à base de produit EM améliore la résistance des C–S–H en augmentant la cohésion et la friction des nanograins solides. L’analyse statistique des résultats d’indentation suggère que le bioplastifiant à base de produit EM inhibe la précipitation des C–S–H avec une plus grande fraction volumique solide. Deuxièmement, un modèle multi-échelles à base micromécanique est dérivé pour le comportement poroélastique de la pâte de ciment au jeune age. L’approche proposée permet d’obtenir les propriétés poroélastiques requises pour la modélisation du comportoment mécanique partiellement saturé des pâtes de ciment viellissantes. Il est montré que ce modèle prédit le seuil de percolation et le module de Young non drainé de façon conforme aux données expérimentales. Un metamodèle stochastique est construit sur la base du chaos polynomial pour propager l’incertitude des paramètres du modèle à travers plusieurs échelles de distance. Une analyse de sensibilité est conduite par post-traitement du metamodèle pour des pâtes de ciment avec ratios d’eau sur ciment entre 0.35 et 0.70. Il est trouvé que l’incertitude sous-jacente des propriétés poroélastiques équivalentes est principalement due à l’énergie d’activation des aluminates de calcium au jeune age et, plus tard, au module élastique des silicates de calcium hydratés de basse densité. / This work assesses the mechanical behavior of cement-based materials through different length scales. First, the mechanical properties of concrete produced with effective microorganisms (EM)-based bioplasticizer are investigated by means of statistical nanoindentation, and compared to the nanomechanical properties of concrete produced with ordinary superplasticizer (SP). It is found that the addition of EM-based bioplasticizer improves the strength of C–S–H by enhancing the cohesion and friction of solid nanograins. The statistical analysis of indentation results also suggests that EM-based bioplasticizer inhibits the precipitation of C–S–H of higher density. Second, a multiscale micromechanics-based model is derived for the poroelastic behavior of cement paste at early age. The proposed approach provides poroelastic properties required to model the behavior of partially saturated aging cement pastes. It is shown that the model predicts the percolation threshold and undrained elastic modulus in good agreement with experimental data. A stochastic metamodel is constructed using polynomial chaos expansions to propagate the uncertainty of the model parameters through different length scales. A sensitivity analysis is conducted by post-treatment of the meta-model for water-to-cement ratios between 0.35 and 0.70. It is found that the underlying uncertainty of the effective poroelastic proporties is mostly due to the apparent activation energy of calcium aluminate at early age and, later on, to the elastic modulus of low density calcium-silicate-hydrate.

Ce mémoire porte sur les surfaces préparées en béton en vue de travaux de réfection. L’objectif principal vise le développement d’une méthode de caractérisation quantitative des surfaces préparées. Le projet comporte également deux objectifs spécifiques : évaluer l’influence des méthodes de préparation sur l’intégrité des surfaces en béton et vérifier l’existence d’une corrélation entre la rugosité de surface et l’adhérence de réparations en béton. Afin d’atteindre ces objectifs, le projet a été divisé en trois principaux volets où plusieurs essais expérimentaux ont été réalisés, ainsi qu’une modélisation de l’essai d’adhérence. Le premier volet expérimental porte sur l’évaluation de l’intégrité des surfaces préparées. Les essais ont démontré que l’endommagement du béton réduit de manière significative la résistance de la surface préparée. Le second volet présente les résultats qui ont conduit au développement et à la validation d’une nouvelle méthode d’évaluation quantitative des surfaces préparées. La méthode permet de réaliser des essais de caractérisation rapidement (environ 2 heures) sur des surfaces tant horizontales, verticales qu’en surplombs. Le troisième volet expérimental comporte l’étude de la rugosité de surface et de l’adhérence des réparations en béton. Ce dernier volet inclut une partie expérimentale et une partie modélisation. Les résultats montrent que l’endommagement du substrat est beaucoup plus critique que la rugosité de surface. En effet, aucune corrélation entre la rugosité de surface et l’adhérence des réparations en béton n’a été observée à l’échelle d’observation étudiée. Pour terminer, des recommandations sont émises concernant les critères d’acceptation relatifs à la préparation de surface et à l’adhésion en place d’une réparation. / The subject of this master is surface preparation of concrete for repair works. The main objective aims at developing a quantitative characterization method for the prepared surfaces. The project also includes two specific objectives: evaluate the influence of preparation methods on the integrity of concrete surfaces and verify the existence of a correlation between the surface roughness and the bond of the concrete repair. In order to achieve these goals, the project was divided into three parts where several experimental tests were carried out, as well as a modeling of the bond test. The first experimental part evaluates the integrity of the prepared surfaces. The tests revealed that damage in concrete decreases significantly the resistance of the prepared surface. The second part presents the results on the development and validation of a new quantitative evaluation method of prepared surfaces. The method makes it possible to quickly carry out characterization tests (approximately 2 hours) on prepared surfaces (horizontal, vertical or overhanging). The third experimental part deals with the study of the surface roughness and the bond of concrete repairs. This last segment includes an experimental and modeling part. The results show that substrate damage is more critical than surface roughness. In fact, no correlation between surface roughness and bond of concrete repairs was observed on the studied observation scale. Finally, recommendations are given for acceptance criteria relating to the surface preparation and adhesion of the in place repair.