L’intérêt envers le développement durable s’est accru dans les dernières décennies avec la découverte de sérieux défis environnementaux. D’autre part, des recherches récentes dans le domaine du béton projeté ont contribué à la transition vers des mélanges permettant de répondre à ces nouveaux défis. Dans ce contexte, ce projet de recherche vise à développer et étudier plusieurs mélanges de béton projeté à valeurs environnementales ajoutées afin d’offrir à l’industrie des alternatives aux mélanges conventionnels. D’abord, des mélanges à haute efficience contenant des agents rhéologiques ont été évalués afin de réduire les pertes liées au rebond en béton projeté. L’aluminosilicate de magnésium (ASM) a réduit le rebond d’environ 10%, mais a généré des problèmes de résistance et de durabilité liés aux rapports E/L élevés. L’ajout de superplastifiant a augmenté le rebond de plus de 20% puisqu’il ne permettait pas d’augmenter la teneur en eau du béton sans affecter sa stabilité. La gomme de diutane n’a pas semblé être activée dans la projection par voie sèche. Des mélanges préhumidifiés ont été testés afin d’améliorer l’effet des agents, mais le rebond a été augmenté avec cette technique. Par ailleurs, des mélanges contenant des matériaux de postconsommation difficilement recyclables ont été évalués dans le but de minimiser les besoins en ressources naturelles. L’utilisation de granulats de plastique et de caoutchouc en remplacement de 20% du volume granulaire a diminué la résistance en compression du béton de 40% et 60%, respectivement, mais leur utilisation dans l’industrie est possible. L’élasticité et l’électricité statique des particules de caoutchouc a entraîné une diminution significative de la génération de poussière de projection. Le module d’élasticité faible et le caractère ductile du plastique et du caoutchouc donne au béton projeté un potentiel d’absorption d’énergie élevé qui pourrait être multiplié en présence de fibres. Finalement, le potentiel des mélanges développés a été évalué à l’aide d’une analyse économique et environnementale développée à partir de paramètres d’influence en béton projeté, des propriétés des mélanges et des coûts unitaires. Le mélange avec ASM s’est particulièrement démarqué avec une réduction des coûts conventionnels de 7% et une réduction des émissions de CO₂ de 26%. / Interest in sustainable development has increased in recent decades with the discovery of serious environmental challenges. On the other hand, recent research in the field of shotcrete has contributed to the transition to mixtures that better meet these new challenges. In this context, this research project aims to develop and study several mixtures of shotcrete with environmental value added in order to offer alternatives to conventional mixtures to the industry. First, high efficiency mixtures containing rheological agents were evaluated to reduce the losses associated with the rebound of shotcrete. Magnesium aluminosilicate (ASM) reduced the rebound by about 10%, but resulted in problems of strength and durability related to high W/B ratios. The superplasticizer increased the rebound by more than 20% because it was impossible to increase the concrete’s water content without affecting its stability. Diutan gum did not seem to be activated in the dry-mix shotcrete process. The mixtures were then tested with predampening to improve the effect of the agents, but the rebound was increased with this technique. In addition, mixtures containing post-consumer materials hardly recycled have been evaluated in order to minimize the need for natural resources. The use of 20% plastic and rubber aggregates in substitution of the aggregate volume resulted in a loss of the concrete’s compressive strength of 40% and 60%, respectively, but their use in industry is possible. The elasticity and static electricity of the rubber particles resulted in a significant decrease in dust emission. The low modulus of elasticity and the ductile properties of the plastic and the rubber give shotcrete a high energy absorption potential which could be multiplied in the presence of fibers. Finally, the potential of the mixtures was evaluated with an economic and environmental analysis based on shotcrete influence parameters, mixtures properties and unit costs. The performance of the mixture containing ASM was particularly good with a reduction in conventional costs of 7% and a reduction of CO₂ emissions of 26%.

L'objectif de cette étude doctorale était de mieux comprendre le comportement d'un ajout cimentaire alternatif à haute teneur en alcalis comme le verre broyé (VB) face au phénomène de la réaction alcalis-silice (RAS). Ainsi, des systèmes cimentaires binaires et ternaires composés de ciments de différentes teneurs en alcalis (0.63 à 1.25% Na₂Oeq), de VB (10 - 30%) et d'un des ajouts cimentaires suivants : fumée de silice (FS) (5 - 10%), métakaolin (MK) (5 - 15%), cendre volante (CV) (15 - 30%) ou laitier de hauts fourneaux (LHF) (20 - 40%), ont été utilisés pour la fabrication de prismes de béton et de pâtes cimentaires. Les prismes de béton incorporant un calcaire hautement réactif (Spratt) ont été conditionnés à 38°C avec une H.R.>95% et leur changement dimensionnel suivi pour une période de deux ans. Les échantillons de pâtes cimentaires ont été, quant à eux, conservés dans des contenants hermétiques à 38°C et leur solution interstitielle extraite sous pression et analysée après 28 et 182 jours de conditionnement pour en déterminer la concentration en Na⁺ et K⁺. Contrairement à ce qui est attendu en fonction des connaissances actuelles, les résultats des analyses chimiques indiquent que le sodium du VB n'est pas relâché dans la solution interstitielle en proportion de son contenu original (>13% Na₂O), du moins pour les systèmes ternaires étudiés. L'ajout de VB réduit la [K⁺] de manière plus importante que ne le ferait une simple dilution du ciment, alors que la [OH⁻] est modestement influencée par l'ajout de VB. L'expansion des éprouvettes fabriquées à partir des mélanges ternaires étudiés n'est pas fonction du pourcentage de VB dans le système; d'ailleurs, de nombreux mélanges se trouvent de part et d'autre de la limite de 0.040% de deux ans préconisée par la Pratique Normalisée CSA A23.2-28A. La nature et la proportion de FS/MK/CV/LHF a un impact plus important que la quantité de VB. L'ajout de NaOH au mélange, tel que recommandé pour fins d'accélération lors des essais réalisés en laboratoire, semble réduire l'expansion de nombreux mélanges ternaires incorporant du VB. / The aim of this Ph.D. project was to deepen the understanding of the behaviour of a high-alkali Supplementary Cementitious Material (SCM) like Ground Glass (GG) on Alkali-Silica Reaction (ASR). Thus, binary and ternary cementitious systems made of 1) cements of different alkali contents (0.63 to 1.25% Na₂Oeq) 2); GG (10 - 30%) and 3) one of the following supplementary cementitious materials: Silica Fume (SF) (5 - 10%), Metakaolin (MK) (5 - 15%), Fly Ash (FA) (15 - 30%) or Blast Furnace Slag (BFS) (20 - 40%), were used to manufacture concrete prisms and cement pastes. Concrete prisms incorporating a highly reactive limestone (Spratt) were stored at 38°C with a R.H.>95% and their dimensional change monitored for a period of two years. Cement paste samples were stored at 38°C in sealed containers and their pore solution was extracted under pressure and analyzed for their concentration of Na⁺ and K⁺ (28 and 182 days). To the contrary of the expectations based on actual knowledge, the results of the chemical analysis suggest that the sodium of the GG is not released into the pore solution proportionally to its original content (13% Na₂O), at least for the cementitious systems studied. The addition of GG reduces the [K⁺] more significantly than would do a simple cement dilution, while the [OH⁻] is modestly influenced by the addition of GG in the system. The expansion of the prisms cast from the ternary mixtures studied is not a function of the percentage of GG in the system and many expansion results of mixtures are found on either side of the 0.040% two-year limit proposed by CSA Standard Practice A23.2-28A. The nature and proportion of FS/MK/CV/LHF in the system is more significant that the GG content. The addition of NaOH to the mixture, as recommended for acceleration purposes in laboratory tests, appears to reduce the expansion of many ternary mixtures incorporating GG.

Au cours des 20 dernières années, le béton projeté a fait l'objet de plusieurs recherches portant particulièrement sur la compostions des mélanges. En parallèle, tous s'entendent pour dire que la qualité du matériau en place dépend grandement de l'expérience du lancier et de sa technique de mise en place. Les connaissances et données scientifiques entourant le processus de mise en place et la compaction du béton projeté étant limitées, ce projet de recherche est dédié à l'étude des paramètres de projection. L'objectif de cette étude consiste à comprendre et quantifier l'influence des différents paramètres de projection sur les propriétés du béton projeté à l'état frais et durci. Afin de mieux saisir le phénomène de compaction, il est essentiel d'étudier et de quantifier la formation des vides de compaction présents dans le béton projeté; une méthode expérimentale simple a été mise au point pour évaluer cette grandeur. Un volet de cette étude est également consacré au comportement isotrope du béton projeté. Les nombreux résultats sont très intéressants et font ressortir non seulement d'importantes différences dans le processus de mise en place entre le béton projeté par voie sèche et le béton projeté par voie humide, mais aussi entre les mélanges contenants ou non de la fumée de silice. En effet, la présence de vides de compactage, l'absorption d'eau et les résistances en compression sont des propriétés qui sont toutes influencées par le procédé de projection et la présence de fumée de silice. De plus, pour tous les mélanges produits au laboratoire, la résistance en compression semble être une propriété isotropique.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s'intéressent à la texture de la surface coffrée des parements verticaux en béton. Ils ont été divisés en trois volets : l'uni, les vides de compaction et le huilage de surface. Pour étudier l'influence du coffrage et du démoulant sur l'uni, des pâtes de ciment ont été coulées sur des surfaces coffrantes en faisant varier le type de coffrage, le démoulant et la position du coffrage dans le moule. La surface et la tranche des surfaces obtenues ont été étudiées au MEB. Cette étude montre que la texture de la surface des pâtes dépend de celle de la surface coffrante utilisée. La couche de pâte de surface est généralement composée de C-S-H sous forme de grains enchevêtrés sauf pour les parements brillants où la couche de surface est composée de portlandite. Pour étudier l'influence des propriétés rhéologiques sur les vides de compaction, des parements en béton ont été réalisés, à partir d'un même squelette granulaire, en faisant varier le volume de pâte, le rapport E/C et les proportions d'adjuvant des mélanges. Cette étude montre qu'il existe un seuil de cisaillement limite au-delà duquel la quantité de vides de compaction de surface devient importante. La quantité de vides de surface dépend du seuil de cisaillement du mortier des mélanges et de la concentration en granulats. L'étude théorique du bullage des surfaces, montre que les bulles d'air sont toujours plus stables sur la paroi du coffrage, les bulles formées peuvent dans certaines conditions s'évacuer du mélange. La possibilité de mouvement des bulles d'air dépend du seuil de cisaillement des mortiers, de la technique de mise en place et de la rugosité des coffrages. Afin de vérifier expérimentalement les calculs théoriques réalisés, des mortiers de tension superficielle variable ont été coulés sur des surfaces coffrantes sélectionnés pour faire varier l'angle de contact entre le mortier, la bulle et le coffrage. Cette étude confirme que les paramètres déterminant pour le bullage sont le seuil de cisaillement des mortiers, la technique de mise en place et la rugosité des coffrages.

Dans la région de Trois-Rivières, de nombreuses résidences ont été construites sur une fondation de béton incorporant des granulats riches en sulfures de fer, notamment de la pyrrhotite et de la pyrite. Plus de trois cents échantillons ont été prélevés au sein de seize fondations de maisons montrant différents degrés d’endommagement, de très faible à très élevé, afin de les analyser et de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes en cause. Plusieurs types d’essais pétrographiques, mécaniques et chimiques ont ainsi été effectués sur ces échantillons, tant sur le terrain qu’en laboratoire. Le suivi de l’expansion et du développement de la fissuration sur des blocs prélevés au sein de fondations résidentielles a permis de démontrer le potentiel résiduel d’endommagement du béton lorsque soumis aux conditions climatiques naturelles. De plus, les résultats des travaux effectués sur les blocs suggèrent que la méthode de l’indice de fissuration est un bon outil du suivi l’évolution de l’endommagement du béton. Finalement, les résultats des travaux effectués en laboratoire suggèrent que le Damage Rating Index et le Stiffness Damage Test ont la capacité de quantifier l’état d’endommagement des bétons détériorés fabriqués avec des granulats incorporant des sulfures de fer. / In the Trois-Rivières area, many houses were built on a concrete foundation made with aggregates containing large amounts of iron sulfides, such as pyrrhotite and pyrite. To allow for a better understanding of the oxidation mechanism, more than three hundred samples were extracted from sixteen foundations, showing different degrees of damage. A variety of petrographic, mechanical and chemical tests were conducted on these samples, in the laboratory as well as in the field. The monitoring of the development of expansion and cracking in the concrete blocks taken from residential foundations demonstrated a potential for residual concrete deterioration when exposed to natural environmental conditions. Furthermore, results of experiments performed on the blocks suggest that the cracking index method is a good indicator of the evolution of damage. Finally, laboratory testing suggests that the Damage Rating Index and the Stiffness Damage Test can potentially quantify damage suffered by deteriorated concrete made with aggregates incorporating iron sulfide minerals.

L'utilisation de béton autoplaçant (BAP) à haute performance a eu récemment une forte progression dans les pays du Golfe Persique, où des grands projets sont en plein essor. La demande du marché prescrit une fluidité très élevée qui se maintient pendant le transport du BAP, et ceci dans des conditions climatiques chaudes. Une résistance élevée à jeune âge est exigée pour faciliter l'avancement des travaux. Le critère de durabilité est imposé afin de lutter contre la grande teneur en sulfate dans le sol et en chlore. L'objectif de l'étude démarrée en été 2006 était d'évaluer la performance des différents BAP préparés avec trois différents types de liant (5% SF + 25% S, 5% SF + 50% S et 70% S), deux E/L (0,32 et 0,38) et deux types de SP (PCP et PNS). Deux températures de mûrissement ont été choisies, l'une chaude (35 [degré]C) et l'autre conventionnelle (20 [degré]C). Enfin, les échantillons ont été soumis à quatre modes (le mûrissement humide de 1 à 13 jours, suivi par un mûrissement à l'air. Les résultats ont montré que, la demande en SP augmente significativement avec la température du béton. La perte de maniabilité était gouvernée par la teneur en SP. La substitution du ciment par du laitier de 25% à 50%, n'a pas pénalisé la résistance à jeune âge dans les conditions chaudes où l'énergie d'activation augmente avec la teneur en laitier. L'élévation de la température a augmenté considérablement la résistance à jeune âge sais diminuer la résistance à 56 jours. Cette dernière, a augmenté remarquablement durant les deux premiers jours de cure humide (3C). Une cure humide prolongée au-delà de 3C a accru minablement la résistance à 56 jours et diminue à peine, la charge totale du KCl.L'utilisation de 5% de la fumée de silice a abaissé la charge totale du KCl à 56 jours à 1000 Coulomb. L'effet du E/L sur la porosité était plus grand que celui de la durée de cure humide.

Le béton autoplaçant fut l'innovation technologique dans le domaine du BTP (Bâtiment et Travaux Public) depuis ces dernières décennies. Grâce à ses atouts (facilité de mise en oeuvre et réduction de coût), il est très utilisé dans les grandes constructions. Cependant, le contrôle du retrait de ce type de béton reste un problème majeur non résolu compromettant l'élargissement de son domaine d'utilisation (Béton Auto-Plaçant-Prêt à l'Emploi, Béton Auto-Plaçant-Pré-Fabriqué). Ce projet de recherche propose d'étudier le retrait des bétons autoplaçants à air entraîné, contenant des nouvelles molécules organiques afin de réduire les pressions internes associées aux ménisques capillaires de la matrice cimentaire. Par ailleurs, l'ajout de nouveaux adjuvants dans le béton entraîne des changements de comportements à l'état frais et durci du béton, notamment en présence d'agent entraîneur d'air (AEA), d'un agent colloïdal (AC) et d'un superplastifiant (SP). L'étude est menée en trois phases afin de pouvoir approfondir les connaissances sur le sujet et en améliorer les propriétés des BAP. La première phase consiste à étudier la compatibilité des molécules organiques anti-retraits, soit des agents réducteurs de retrait (ARR) en présence d'un AEA, d'un AC et d'un SP sur des mortiers de béton équivalent (MBE). La deuxième phase consiste à caractériser les combinaisons ARR/AEA, déduites de la phase I sur MBE. Cette partie mettra en évidence les propriétés physiques des combinaisons testées (retrait endogène et retrait de séchage). La phase III vise à comprendre les comportements des mélanges sélectionnés vis-à-vis des propriétés de durabilité. Cette investigation a permis d'enrichir les connaissances sur les ARR organiques et leurs interactions en présence de SP, d'agent viscosant (VEA), et AEA. De plus cette étude montre qu'il existe pour un intervalle de l'Hydrolic-Lipophilic Balance (HLB) et une tension de surface spécifique donnée, des molécules sondes pouvant diminuer le retrait endogène et de séchage. En outre, il a été montré que la valeur du HLB influence le dosage en AEA.

Abstract : One of the aims of the thesis is to study corrosion development in cracked concrete, in relation to the effect of concrete cover depth, exposure direction, load-induced transverse cracks, defects in the steel-concrete interface under horizontal bars caused by top-casting and self-healing of the transverse cracks. The other aim is to study the mechanical performance of reinforced concrete beams damaged by corrosion accelerated by a climate accelerated method (wetting/drying cycles in salt fog). Two main parts are included in this thesis. The first part discusses corrosion development, including corrosion initiation and propagation, in cracked concrete. The second part discusses the mechanical performance of slender and deep beams damaged by climate accelerated corrosion, in terms of failure mode, yield capacity, ultimate capacity and ultimate deflection. According to the experimental study, it was found that, corrosion always initiated under the load-induced cracks. It should be noted that corrosion initiation is related to appearance of cracks but not crack width. The surface exposure condition is also an important parameter influencing corrosion development. Top-tensioned surface is the worst exposure condition, because corrosion development was accelerated by both ponding and gravity effect of chloride solution. Furthermore, top-casting-induced defects formed in steel-concrete interface under horizontal top-cast bars due to bleeding, segregation and settlement of fresh concrete, and they were favorable for both corrosion initiation and propagation. Self-healing occurred when the cracked samples were cured in a humidity room with 100% R.H due to the formation of ettringite in the inner zone and calcite in the outer zone of crack planes. Self-healing reduced air flow through the cracks and reduced the risk of corrosion considerably. The flexural performances of slender beams were tested. Corrosion of the reinforcements modified the failure mode of reinforced concrete beams. Both yield and ultimate capacity were correlated to the maximum cross-sectional loss of tensile bars. The experimental results indicated that 1% reduction in cross-section corresponds to 1% reduction in yielding capacity and ultimate capacity. For mechanical performance of deep beams, the results show that, serious pitting corrosion on the tensile bars changed the failure mode from shear to flexure. The failure mode of corroded deep beams depends not only on span to effective depth ratio and corrosion degree of tensile bars, but also on the corrosion degree of stirrups. / Résumé : Un des objectifs de la thèse est d'étudier le développement de la corrosion dans le béton armé fissuré, en fonction de l’enrobage des armatures, des conditions d’exposition, de l’endommagement de l’interface acier-béton induit par le chargement et des défauts de l'interface acier-béton sous les barres horizontales liés à la mise en œuvre du béton frais en prenant en compte l'auto-cicatrisation des fissures transversales. L'autre objectif est d'étudier la performance mécanique des poutres en béton armé endommagées par la corrosion naturelle en ambiance agressive (des cycles humifification/séchage en brouillard salin). Deux parties principales constituent cette thèse. La première partie traite du développement de la corrosion, à la fois initiation et propagation, dans le béton armé en présence de fissures. La deuxième partie traite de la performance mécanique des poutres longues et courtes endommagés par la corrosion des armatures, en termes de mode de défaillance, seuil de plastification, capacité ultime résiduelle et flèche ultime à rupture. Les résultats de l'étude expérimentale confirment que la corrosion est toujours initiée dans les fissures induites par le chargement. Il convient de noter que la corrosion est liée à la présence des fissures mais pas à leur largeur. Les conditions d'exposition sont également un paramètre important influençant le développement de la corrosion. Ainsi, une surface tendue correspondant à la surface supérieure est la pire condition d'exposition, parce que le développement de la corrosion est accéléré par les effets de l’accumulation des chlorures ainsi que l’effet gravitaire favorisant leur pénétration. En outre, les dommages induits par le “top-cast effect” qui sont formés à l'interface acier-béton sous les barres horizontales par le ressuage et le tassement du béton frais, sont favorables à la fois à la l’initiation et à la propagation de la corrosion. Le phénomène d’auto-cicatrisation des fissures survient lorsque les échantillons fissurés sont conservés à 100% d'humidité relative en raison de la formation d'ettringite dans la zone intérieure et de la calcite dans la zone extérieure du plan de fissuration. L’auto-cicatrisation réduit le débit d'air à travers les fissures et réduit considérablement le risque de corrosion. Les performances en flexion de poutres longues ont été testées. La corrosion des armatures modifie le mode de défaillance des poutres en béton armé. La diminution de la charge de plastification et de la capacité ultime a été corrélée à la perte de section transversale des barres tendues. Les résultats expérimentaux indiquent qu’une réduction de 1% de la section transversale correspond à une réduction de 1% de la charge de plastification et de la capacité ultime. En ce qui concerne les performances mécaniques des poutres courtes, les résultats montrent qu’une corrosion sévère par piqûres sur les armatures tendues change le mode de défaillance par cisaillement à celui en flexion. Le mode de rupture des poutres courtes corrodées dépend non seulement du ratio entre la portée et la hauteur utile, mais également du degré de corrosion des cadres d’effort tranchant.

La réduction de la vulnérabilité sismique des structures existantes est un enjeu majeur. Le renforcement d'éléments par Tissus de Fibres de Carbone (TFC) offre une réponse intéressante à cette problématique. Ces travaux proposent une stratégie simplifiée de modélisation non linéaire permettant de prédire le comportement d'une structure en béton armé renforcée par TFC. Celle-ci est fondée sur l'utilisation d'éléments finis poutres multifibres ainsi que de modèles d'endommagement et de plasticité. Le confortement d'éléments en flexion et le confinement des poteaux sont étudiés. Plus spécifiquement une loi constitutive cyclique pour béton confiné est proposée. Cette loi est fondée sur deux modèles, le premier basé sur la théorie de l'endommagement et le second sur une série d'études expérimentales. Cette approche est validée à travers deux cas d'études : une pile de pont renforcée et une analyse de vulnérabilité d'un ouvrage sous sollicitations statiques (poussée progressive) et dynamiques.

Les fournisseurs de bétons doivent assurer la qualité de leurs produits. Ceci requiert, en premier lieu, une maîtrise de la composition du béton fabriqué. Cependant, les variations d'humidité des granulats rendent difficile le dosage précis des constituants. Le travail présenté dans ce mémoire vise à proposer des méthodes pour améliorer la régularité du dosage en eau, et pour suivre en continu l'ouvrabilité des bétons fabriqués industriellement. Dans un premier temps, un protocole original de calibrage du wattmètre en tant que outil de mesure en ligne de l'humidité du béton frais a été proposé et évalué. Les mesures de dosage en eau calibrées sont utilisées dans un deuxième temps, pour la mise au point de plusieurs algorithmes. Le premier type d'algorithme se traduit par une correction de l'écart d'eau dans la bétonnière portée, alors que le deuxième permet le calibrage des sondes hydrométriques des granulats. Les méthodes présentées sont validées sur des données acquises en centrale industrielle. Le suivi de l'ouvrabilité fait appel à la construction d'un modèle de puissance consommée par le malaxeur, reliant les caractéristiques rhéologiques du béton à la puissance totale dépensée. La détermination de l'ouvrabilité du béton par cette méthode nécessite l'utilisation d'un variateur de vitesse du malaxeur. La validation expérimentale sur des malaxeurs à différentes échelles permet de montrer qu'il est possible d'estimer convenablement le seuil de cisaillement et l'affaissement au cône d'Abrams du béton en cours de malaxage, sans connaissance préalable de sa composition.