La connaissance du comportement différé du béton soumis aux charges élevées est nécessaire pour prévoir la durée de vie des structures à long terme. En particulier dans le cas des ouvrages d’art, cette connaissance est primordiale pour prédire les flèches, l’ouverture de fissure, la redistribution des contraintes dans les structures hyperstatiques et les pertes de précontrainte dans des structures en béton précontraint. Par ailleurs, la prédiction de l’évolution de la fissuration dans le temps, dans le but d’estimer la durée de vie des structures, est une perspective avantageuse et prometteuse que seuls les modèles numériques pertinents au regard des mécanismes de fissuration du béton peuvent offrir. L'objectif de ce travail, pour premier temps, s’intéresse aux mécanismes de fluage non linéaire dans le béton, puis développer un modèle numérique permettant de simuler le fluage tertiaire qui est supposé être à l’origine de l’interaction entre humidité relative et la microfissuration afin de prédire la flèche et l’ouverture de fissure et, a fortiori, la durée de vie. Ce modèle a été développé dans le code aux éléments finis OOFEM, se basant sur le modèle de réseau (lattice model). Pour ce faire, trois programmes ont été mis en route. Le premier consiste à valider le problème de couplage hydro-mécanique en étudiant l’évolution de la perméabilité du béton lors de la traction d’une barre d’armature. La deuxième vise à développer et implémenter les équations non linéaires de transfert de l’humidité relative couplées avec l’endommagement pour prévoir l’ouverture de fissure des poutres préfissurées en flexion quatre points soumis à une charge maintenue élevée. Finalement, le programme expérimental a été réalisé sur des poutres entaillées en flexion quatre points pour valider le modèle proposé, en utilisant la technique de corrélation d’images. Les effets de l’hétérogénéité et le rapport Eau / Ciment (E/C) ont été considérés lors de l’évolution de l’ouverture de fissure. Les résultats montrent que le modèle proposé est capable de simuler l’ouverture de fissure dans le temps des bétons renforcés de fibres (BRF) sous des charges maintenues élevées. / Knowledge of the delayed behaviour of concrete subjected to a high load is necessary for predicting the serviceability of concrete structures. In particular, in the case of civil engineering structures, this knowledge is an influential aspect for predicting deflection, development of microcracking in concrete structures, stress redistribution in hyperstatic structures and prestressing losses in pre-stressed concrete structures. Moreover, the prediction of the evolution of cracking with time in order to estimate the lifetime of structures is an advantageous and promising prospect that only numerical models relevant to the mechanisms of cracking of concretes can offer. The objective of this work is first to investigate the mechanisms of tertiary creep in concrete and then to develop a numerical model to simulate the nonlinear creep behaviour which is supposed to cause the interaction between relative humidity and microcracking in order to predict the deflection and the crack opening as well as the lifetime. This model was developed in the OOFEM finite element code, based on the lattice method. To perform this, three programs were launched. The first one was to validate the hydromechanical coupling problem by examining the evolution of the permeability of reinforced concrete under tensile loading. The second program aimed at developing and implementing the non-linear equations of the relative humidity transfer coupled with damage mechanics to predict the crack opening of the four points bending test on pre-cracked beam subjected to a high sustained load. Lastly, the experimental program was carried out on beams notched to validate the proposed model, using the digital image correlation technique. The effects of heterogeneity and the water-to-cement ratios (E/C) were considered to estimate the effect of those parameters during the evolution of the crack opening. The results show that the proposed numerical model is capable of simulating the deflection and crack opening with time of fiber reinforced concrete (FRC) under high sustained loads.

La pyrrhotite est un minéral qui, lorsque présent dans les granulats du béton, peut causer d'importants problèmes dans les ouvrages au fil du temps. Lorsqu'elle est exposée à l'humidité et en milieu oxygéné, la pyrrhotite subit une réaction chimique d'oxydation qui entraîne la formation de composés expansifs qui font gonfler le béton et le fissurent. L'objectif principal de ce programme de doctorat est d'établir une méthodologie capable de reproduire les effets néfastes de cette réaction des sulfures de fer dans le béton et ce, dans des conditions de laboratoire contrôlés. Cette méthodologie vise à utiliser des granulats d'une taille comparable à celle que l'on trouve dans les éléments en béton affectés in situ. En outre, elle vise à garantir que la procédure d'essai puisse être exécutée dans un délai raisonnable (quelques mois). Pour atteindre cet objectif, cette recherche utilise des granulats provenant des régions de Trois-Rivières au Québec, Canada et du Connecticut, États-Unis. Ces granulats, caractérisés par des concentrations variables de soufre total (S[T indice]), servent de matériaux de référence porteurs de sulfures pour l'étude. Ils sont accompagnés dans cette étude de granulats de référence contenant de faibles teneurs en S[T indice]. La phase initiale de la thèse s'est concentrée sur la conception d'un traitement pour activer l'oxydation des sulfures de fer dans des conditions bien contrôlés en laboratoire. La réflexion s'est basée sur l'hypothèse que l'oxydation des ions fer (Fe²⁺) des sulfures présents dans les granulats puisse être facilitée de manière catalytique par la présence d'ions chlorures dans le système. S'appuyant sur des méthodologies de laboratoire établies pour évaluer la diffusion des ions chlorures dans le béton, ce segment du projet a consisté à concevoir et à fabriquer une nouvelle cellule électrochimique. L'objectif est d'imprégner complètement d'ions chlorures des éprouvettes de béton de 200 mm de longueur. À la suite de l'essai électrochimique, des signes d'endommagement tels que des traces d'oxydation, des éclatements (pop-outs) et des fissures superficielles ont permis de valider l'impact catalytique des ions chlorures sur le béton. En plus, différentes techniques telles que l'examen pétrographique et la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie dispersive en énergie des rayons X (SEM + EDXA) ont confirmé la formation des produits de réaction secondaires issus de l'oxydation des sulfures de fer présents dans les granulats et de l'attaque sulfatique interne qui s'en suit. L'objectif était ensuite de définir une procédure avec des paramètres d'essais optimisés. Les résultats de ces travaux indiquent qu'un essai électrochimique de 35 jours – comprenant une phase d'imprégnation aux ions chlorures de 14 jours suivie d'une période de traitement des éprouvettes sous tension imposée de 21 jours est efficace. Cette durée d'essai engendre des dommages dans les conditions de laboratoire, ce qui permet de différencier les matériaux granulaires réactifs des granulats de référence pauvres en sulfures de fer. Grâce à l'examen de plaques de béton poli et à l'examen pétrographique, une description détaillée a été proposée sur les mécanismes de détérioration générés par l'activation de la réaction d'oxydation des sulfures de fer dans des éprouvettes de béton lors de l'essai électrochimique. Pour évaluer le potentiel de réactivité d'un granulat contenant des sulfures de fer, le module d'élasticité relatif (RMoE) est une mesure plus efficace. Cette valeur est obtenue en comparant le module d'éprouvettes de béton sain après une cure humide de 28 jours et celui d'éprouvettes « sœur » soumises à l'essai électrochimique susmentionné. En outre, et avec l'appui de la technique de cartographie chimique du micro XRF, l'initiation et la propagation de l'attaque sulfatique interne due à l'oxydation des sulfures de fer présents dans le gros granulat est également confirmée. Aussi, une comparaison avec le protocole proposé par Rodrigues et coll. (2016) a été effectuée sur cinq matériaux granulaires avec des teneurs en S[T indice] variées afin de vérifier l'efficacité de la méthode pour classer un matériau granulaire comme réactif ou non réactif. Une valeur seuil préliminaire pour le RMoE de 0,75 est ainsi proposée pour distinguer/détecter la réactivité des granulats contentant des sulfures de fer. / Pyrrhotite is a mineral that, when present in concrete aggregates, can cause significant structural problems over time. When exposed to moisture in an oxygenated environment, pyrrhotite undergoes a chemical oxidation reaction, leading to the formation of expansive compounds that swell and crack the concrete. The primary objective of this doctoral program is to establish a methodology capable of replicating the adverse effects of this reaction in concrete within a controlled laboratory environment. This methodology aims to use aggregates of a size comparable to that found in affected in-situ concrete elements. Additionally, it aims to ensure that the test procedure can be carried out within a practical timeframe (a few months). To achieve this goal, aggregates from the Trois-Rivières region of Quebec, Canada, and from Connecticut, United States, are used in this research. These aggregates, characterized by different concentrations of total sulfur (Tₛ), serve as sulfide-bearing reference materials for the study. They are accompanied in this study by reference aggregates containing low levels of Tₛ. The initial phase of the thesis focused on designing a treatment to activate the oxidation of iron sulfides in controlled laboratory conditions. A working hypothesis proposed that the oxidation of iron ions (Fe²⁺) could be catalytically facilitated by the presence of chloride ions in the system. Based on established laboratory methods for evaluating chloride ion diffusion in concrete, this segment of the project involved the design and implementation of a new electrochemical cell. The objective is to fully impregnate 200 mm long concrete specimens with chloride ions. After the electrochemical test, evidence of damage such as oxidation traces, pop-outs, and surface cracking validated the catalytic effect of chloride ions on concrete. Additionally, various techniques such as petrographic examination and scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM + EDXA) confirmed the formation of secondary reaction products resulting from the oxidation of iron sulfides present in the aggregates and of the subsequent internal sulfate attack. The objective was then to define a procedure with optimized test parameters. The results of this work indicate that a 35-day electrochemical test - consisting of a 14-day chloride ion impregnation phase followed by a 21-day period of specimen treatment under impressed voltage - is effective. This test duration induces damage under laboratory conditions and allows differentiation between reactive aggregate materials and reference aggregates low in iron sulfides. Through examination of polished concrete slabs and petrographic examination, a detailed description of the deterioration mechanisms generated by the activation of the iron sulfide oxidation reaction in concrete specimens during electrochemical test was proposed. To assess the reactivity potential of a sulfide-bearing aggregate, the relative modulus of elasticity (RMoE) was found to be most efficient. This value is obtained by comparing the modulus of elasticity of sound concrete specimens after 28-day of wet curing and that of companion specimens subjected to the electrochemical test. Furthermore, the initiation of internal sulfate attack due to the oxidation of aggregates containing iron sulfides is also confirmed with the aid of the micro XRF chemical mapping technique. In addition, a comparison with the protocol proposed by Rodrigues et al. (2016) is carried out on five aggregate materials with different Tₛ contents to verify the effectiveness of the method for classifying aa aggregate material as reactive or non-reactive. A preliminary threshold value for RMoE of 0.75 is proposed to differentiate/detect the reactivity of aggregates containing iron sulfides.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / L'industrie du béton est responsable d'environ 6% des émissions de gaz à effet de serre dans le monde. Sa contribution à la lutte contre les changements climatiques est donc essentielle pour atteindre les cibles fixées par les différents pays à ce sujet. L'objectif de cette étude est de contribuer à ce défi en développant des technologies de contrôle qualité du béton frais qui permettront, à terme, de réduire le gaspillage de béton et d'améliorer sa qualité. La propriété du béton frais étudiée ici est la maniabilité. Celle-ci influence la plupart des qualités de l'ouvrage, ce qui en fait un paramètre important à surveiller lors de la livraison de béton prêt à l'emploi, afin d'obtenir les propriétés mécaniques requises du béton à l'état durci. L'objectif est donc de développer une méthode d'estimation de l'affaissement pour une large gamme de maniabilités du béton en utilisant des capteurs installés sur les camions malaxeurs. Dans le cadre de ce projet de recherche, un capteur de pression hydraulique, branché au moteur hydraulique des camions malaxeurs, a été utilisé pour mettre en place une telle méthode d'estimation de l'affaissement. De plus, grâce à un projet collaboratif CRSNG avec Command Alkon et Béton Provincial, il a été possible d'intégrer ce capteur de pression hydraulique dans le système embarqué de Command Alkon, qui utilise, en parallèle, une sonde à l'intérieur de la toupie pour prédire certains paramètres importants pour le contrôle qualité du béton frais, dont la maniabilité. En utilisant les données de pression hydraulique prises à une vitesse de rotation de la toupie de 3 rpm, cela a permis d'obtenir une précision satisfaisante des valeurs d'affaissement estimées, notamment pour les mélanges plus fermes. / The concrete industry is responsible for approximately 6% of greenhouse gas emissions worldwide. Its contribution to combat climate change is therefore essential in order to achieve the goals set by different countries in this regard. The objective of this study is to contribute to these goals by developing fresh concrete quality control technologies that will help reduce concrete waste and improve its quality. The property of the fresh concrete studied here is workability. It influences most of the qualities of the structure, making it an important parameter to monitor during the delivery of ready-mix concrete in order to obtain the required mechanical properties of hardened concrete. The goal is therefore to develop a method to estimate slump for a wide range of different workable concrete mixes using sensors installed on concrete mixer trucks. In the context of this research project, a hydraulic pressure sensor connected to the hydraulic motor of the mixer trucks was used to establish such slump estimation method. Furthermore, through a NSERC collaborative partnership with Command Alkon and Béton Provincial, it was possible to integrate the hydraulic pressure sensor into the embedded system of Command Alkon, which already uses a probe to predict certain important parameters for fresh concrete quality control, including workability. By using hydraulic pressure data taken at a drum rotation speed of 3 rpm, a good prediction of slump particularly for stiffer mixes was allowed.

Les systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibres (MCRF) ont été récemment présentés comme une technique innovante de renforcement/réparation externe pour les structures en béton armé et en maçonnerie. Alors que les systèmes MCRF ont prouvé leur efficacité pour renforcer les structures simplement appuyées en termes de capacité et de ductilité, notre connaissance sur le renforcement des structures à multi-portées avec les systèmes MCRF est encore limitée. L'importance de ces structures peut être fréquemment constatée dans la plupart de nos infrastructures telles que les ponts et les garages de stationnement. Cette étude fait partie d'un grand projet qui vise à comprendre le comportement des structures à multi-portées renforcées par les systèmes MCRF. Le programme expérimental consistait des poutres à grande échelle et à deux travées qui ont été testées après avoir été renforcées par des systèmes de polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF) avec des différents ratios de renforcement négative/positive et avec des différents nombres de couches de renforcement. Les résultats ont confirmé que le renforcement à l'aide de PBO-MCRF a considérablement amélioré la ductilité et la capacité de flexion des poutres renforcées. Malgré le renforcement, les sections déficientes renforcées avec les systèmes MCRF étaient capables de redistribuer les moments jusqu'à 37 %, ce qui représentait 93 % de la capacité de redistribution de leurs homologues dans la poutre contrôle non renforcée. Ces résultats ont suggéré la révision des formulations de la norme Canadienne CSA et le guide ACI qui interdisaient la prise en compte de la redistribution des moments dans la conception des éléments renforcés à l'externe. De plus, un modèle d'éléments finis 3D (MEF) a été développé pour simuler le comportement en flexion non linéaire des poutres renforcées par les systèmes MCRF à l'aide d'ABAQUS. Les résultats numériques ont démontré un bon accord avec les résultats expérimentaux en termes de modes de rupture, de capacité, de ductilité et de redistribution des moments entre les sections critiques. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étendre les résultats obtenus et pour évaluer d'autres paramètres qui n'ont pas été inclus dans le travail expérimental. / Fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems have been recently presented as an innovative external strengthening/repair technique for reinforced concrete (RC) and masonry structures. While FRCM systems have proven their efficacy to strengthen simply supported RC structures in terms of flexure capacity and ductility, very little is known about the flexural strengthening of multi-span structures with FRCM systems. The importance of those structures can be frequently noted in most of our infrastructures such as bridges and parking garages. This study is part of a large project that aims at understanding the behavior of FRCM-strengthened multi-span RC structures. The experimental program consisted of testing large-scale two-span beams after being strengthened by Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM) systems with different hogging-to-sagging strengthening ratios and different number of strengthening layers. The results confirmed that strengthening using PBO-FRCM significantly enhanced the ductility and the flexural capacity of the strengthened beams. Despite strengthening, the deficient sections strengthened with FRCM systems were capable to redistribute moments up to 37%, which represented 93% of the redistribution capacity of their counterpart sections in the unstrengthened control beam. These findings suggested the revision of the provisions of the CSA and ACI formulations that prohibited the consideration of moment redistribution in the design of externally bonded strengthened elements. Moreover, 3D finite element model (FEM) was developed to simulate the nonlinear flexural behavior of the FRCM-strengthened beams using ABAQUS. The numerical results demonstrated a good agreement with the experimental results in terms of the failure modes, the load-carrying capacity, the ductility, and the moment redistribution between the critical sections. A parametric study was then conducted to extend the obtained results and to assess other parameters that have not be included in the experimental work.

La réaction alcali-silice (RAS) reste un problème majeur de durabilité du béton. Plusieurs chercheurs ont étudié l'utilisation d'ajouts cimentaires (AC) et de certains résidus industriels comme mesure fiable pour contrôler l'expansion associable à la RAS dans le béton. Les ajouts cimentaires ont également été utilisés comme outil pour réduire l'impact environnemental de la production du ciment. À cette fin, des granulats réactifs ont été sélectionnés et combinés à différentes proportions de résidus d'aluminosilicate (SiAl) produits lors d'un processus industriel visant l'extraction du lithium dans un cadre d'exploitation minière. Des éprouvettes de barres de mortier (AMBT) et de prismes miniatures du béton (MCPT) ont été préparées avec différentes proportions de SiAl (10%, 15%, 20%, 25%, 30% et 40% de remplacement massique du ciment - systèmes binaires), de même qu'en combinant des proportions de SiAl avec des ajouts cimentaires conventionnels comme des cendres volantes (CV), du laitier de haut fourneau (LHF) et de la fumée de silice (FS) dans des mélanges ternaires, et ce afin d'évaluer l'expansion de la RAS conformément aux essais accélérés CSA A23.2-25A/28A et AASHTO T 380-19. Les résultats d'essais réalisés sur éprouvettes de béton (essai MCPT) ont montré une diminution de 82 à 89% de l'expansion aux échéances critiques pour les spécimens incorporant 15 à 25% de SiAl (systèmes binaires incorporant les granulats réactifs Spratt et Sudbury). Dans les mélanges ternaires, la tendance bénéfique était similaire et, par exemple, l'incorporation d'un pourcentage de 10%SiAl+10CV à 10%SiAl+15%CV a réduit l'expansion de 83% et 91%, respectivement, par rapport au mélange de référence composé de ciment Portland seulement (mélanges incorporant le calcaire Spratt). Ces niveaux de réduction de l'expansion par rapport à celle obtenue pour les éprouvettes de référence permettent dans bon nombre de cas de rencontrer les limites d'acceptation pour les formulations (ternaires) efficaces contre la RAS, mais pas toujours. Les éprouvettes incorporant au moins de 20% de l'aluminosilicate (SiAl) à l'étude ont permis d'atténuer l'expansion de la RAS causée par l'utilisation de granulats réactifs (Spratt et Sudbury). Pour corréler les résultats obtenus lors des essais accélérés, ceux-ci ont été comparés à des essais réalisés sur des blocs de béton fabriqués avec la même proportion d'AC et exposés à des conditions naturelles pendant 20 ans. / The alkali-silica reaction (ASR) remains a major concrete durability problem around the world. Several researchers have studied the effectiveness of supplementary cementitious materials (SCMs) and other industrial waste materials as a measure to control ASR expansion in concrete. SCMs have also been used as a tool to reduce the environmental impact of cement production. For this purpose, selected reactive aggregates were combined with an Aluminosilicate residue (SiAl) produced during lithium extraction from a mining operation. Accelerated Mortar bar (AMBT) and Miniature Concrete Prism (MCPT) tests were performed on specimens that were prepared with various SiAl proportions (10%, 15% 20%, 25%, 30% and 40% by cement mass - binary systems), as well as by combining various proportions of SiAl with conventional SCMs such as a fly ash (FA), slag (SL) and silica fume (SF) in ternary mixes. The objective was to evaluate the effectiveness of those SCMS in reducing ASR expansion in accordance with accelerated tests CSA A23.2-25A/28A and AASHTO T 380-19. MCPT test results showed expansion reduction of 82 to 89% at selected critical testing periods for specimens incorporating 15 to 25% of SiAl (binary mixtures with reactive Spratt and Sudbury aggregates). In the case of ternary blends, a similar beneficial trend was observed; for example, increasing the amount of FA from 10 to 15% in a mixture incorporating 10% SiAl resulted in expansion reductions improving from 83 to 91% compared to the control OPC concrete (mixtures with the Spratt reactive aggregate). Such levels of expansion reductions allowed for a large number of the ternary mixtures tested to meet the acceptance limit proposed for the MCPT, but not always. Specimens incorporating at least 20% of the aluminosilicate (SiAl) residues were useful to prevent ASR expansion caused by the use of reactive aggregates (Spratt and Sudbury). To correlate the results obtained from the accelerated tests, those were compared with expansion trends measured on concrete blocks built with the same amount of SCMs and exposed to natural conditions for a period of 20 years.

Au Québec, plusieurs ouvrages d'art et infrastructures routières en béton sont en mauvais état en raison d'un manque d'entretien combiné aux effets d'un climat rigoureux. Pour continuer à offrir aux usagers un service sécuritaire tout en minimisant les délais et interruptions, les gestionnaires doivent souvent recourir à des techniques et matériaux permettant des interventions rapides. Ainsi on fait régulièrement appel à des matériaux de réparation à prise rapide et/ou à haute résistance initiale. Malheureusement, ces matériaux présentent parfois des problèmes de fiabilité, notamment sur le plan rhéologique et du point de vue de la durabilité. Dans le projet faisant l'objet du présent mémoire, des essais ciblés ont été effectués sur une sélection de matériaux en vue d'en caractériser la performance et la robustesse. Il a été démontré que certaines catégories de matériaux peuvent offrir la robustesse recherchée, mais que leur sélection doit être effectuée en regard des conditions d'utilisation et d'exposition, en particulier celles prévalant lors de l'intervention. Les recommandations sont faites pour les 3 grandes catégories de matériaux, en fonction du délai avant une remise en service. En deçà de 3 heures, les mortiers de ciment d'aluminate de calcium (CAC) et mortiers étendus de ciment de phosphate de magnésium (PMG-E) sont les meilleures options. Pour les mélanges avec accélérateurs de prise et une remise en service entre 8 et 24 heures, le mélange sans chlorure (SA) s'avère être une bonne option. Pour les matériaux de type HE (ciment à haute résistance initiale) et une remise en service variant de 12 à 20 heures, le HE1 se révèle être une option envisageable. Ces conclusions sont faites suite à l'analyse des résultats des divers essais et températures étudiés ainsi que les composantes et paramètres utilisés.

Les pertes de matériaux par rebond représentent encore à ce jour le problème le plus important qui limite parfois l’utilisation du béton projeté. Bien que la compréhension des techniques de projection utilisées par les lanciers soit en constante progression et que de nombreux nouveaux mélanges soient développés régulièrement, l’état actuel des connaissances concernant les mécanismes de mise en place qui apparaissent au sein du jet de béton projeté est limité. Cette affirmation s’applique particulièrement entre les moments où les matériaux sont expulsés de la lance jusqu’à leur impact sur le substrat de béton frais. À l’heure actuelle, un modèle physique permet de calculer et de prédire le rebond d’une seule particule incidente en fonction de son énergie et de sa profondeur de pénétration à la paroi réceptrice. Par contre, les paramètres nécessaires à une telle prédiction ne sont pas facilement mesurables expérimentalement. De plus, ce modèle n’est évidemment pas représentatif de plusieurs facteurs réels qui agissent à l’échelle d’un jet de béton projeté et qui devraient être considérés, comme l’interaction entre les particules et leur angle d’incidence par rapport à la paroi réceptrice. D’un autre côté, des avancées importantes ont été réalisées récemment à l’échelle du jet complet, notamment au niveau de l’explication des phénomènes qui permettent l’accélération des particules, de la caractérisation des champs de vitesses, de la répartition des masses dans le jet et finalement, au niveau de la composition du matériau en fonction de la position dans le jet. Une meilleure compréhension de l’effet de l’équipement utilisé doit être explorée avec l’étude des facteurs favorisant la mise en place du matériau et la réduction du rebond. Cela pourrait être fait en améliorant les conditions d’impact des particules qui entrent en contact avec le substrat, en sélectionnant le meilleur équipement disponible. Ce projet de recherche aspire à poursuivre l’étude des phénomènes de mise en place du béton projeté en proposant une étude du procédé à l’échelle du jet qui se concentre sur l’effet de l’équipement utilisé lors de la projection. En premier lieu, il s’agit de déterminer les paramètres qui influencent le champ de vitesse produit par une lance en béton projeté par voie humide. La lance représente le dernier obstacle franchi par le matériau avant d’être expulsé vers la paroi réceptrice, donc cette pièce d’équipement joue un rôle important sur les conditions de mise en place. Il sera ensuite question de comparer les deux principaux procédés qui sont utilisés en béton projeté, la voie humide et la voie sèche, en poursuivant l’exploration de la distribution massique des particules dans le jet en voie sèche et en utilisant des données obtenues dans des études récentes pour le procédé par voie humide. Pour atteindre les objectifs du projet, ce sont cinq (5) lances différentes pour le procédé par voie humide et trois (3) lances pour le procédé par voie sèche qui font partie de l’étude. Le programme expérimental consiste à comparer les performances des lances étudiées selon des critères établis, basés sur la forme et l’amplitude du champ de vitesse. Les résultats montrent que plusieurs facteurs influencent la performance d’une lance; ils permettent d’établir un classement jugeant la performance des lances en utilisant des critères physiques comme la vitesse incidente des particules ainsi que leur distribution spatiale. La vitesse des particules incidente joue un rôle primordial sur leur énergie à l’impact sur le substrat de la paroi réceptrice. La distribution massique dans une section du jet produit par une lance contrôle le débit de mise en place du matériau en fonction du rayon perpendiculaire à l’axe de projection et représente une avenue intéressante à explorer pour améliorer ou adapter la technique de projection selon la lance utilisée. / Material losses due to rebound represent the main issue of shotcrete and sometimes limit the process’ use and applicability. Even if the understanding of shooting techniques used in practical applications is being researched and in constant progress, and new shotcrete mixes are being developed regularly, the actual field of knowledge related to material placement mechanisms taking place during the impact of sprayed particles is limited, starting from the moment materials are expelled from the nozzle until particles impact on the fresh shotcrete substrate. For the time being, a physical model allows calculation of rebounding probability for a single incident particle based on its kinetic energy and its depth of penetration onto the receiving surface. However, parameters that are necessary to obtain such a prediction are not easily measured. In addition, this model is obviously not representative of the reality at the scale of a full shotcrete spray and does not take into account the interaction between particles and their angle of incidence with the receiving surface. On the other hand, significant progress was made recently with regards to describing the shotcrete process at the scale of the spray. Analysis methods were developed and explanations of phenomena allowing particles acceleration were refined and include characterization of velocity fields, distribution of material masses among the spray and, at last, material composition according to position in the spray. A better understanding of the equipment used during practical applications is clearly a path to be explored with the study of factors controlling placement of materials and reduction of rebound. This could be achieved by improving particles impact conditions with the substrate, which could be done by optimizing equipment selection and shooting parameters. This research project aims to deepen the study of shotcrete placement phenomena by researching equipment influence at the scale of the spray during a projection. The main objectives of this project are defined as follows. The first objective is to determine parameters influencing axial velocity fields that are obtained with various wet-mix nozzles. This piece of equipment plays an important role on placement conditions of sprayed particles. The next step will be to compare both shotcrete placement processes, wet-mix and dry-mix, by exploring materials mass distribution with three different dry-mix nozzles and comparing with wet-mix data previously obtained. To achieve the above objectives, five (5) different wet-mix nozzles and three (3) dry-mix nozzles are included in the present research project. The experimental program will allow a comparison of nozzle performances based on distribution and amplitude of axial velocity fields, since velocity is the main factor influencing kinetic energy of a single particle. Results show that several factors may influence a nozzle’s performance and justify the selection of particular nozzle parameters over others. The incident mass distribution at any section of the spray produced by a given nozzle controls the materials placement rate in regards to the shooting axis perpendicular distance and represents an interesting path to explore to better adapt shooting technique according to the nozzle that is used.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le développement de béton avec une faible teneur en ciment grâce au recyclage et à la réutilisation des déchets est, aujourd'hui, un aspect critique de la construction durable. Avec cette idée de rendre le béton écoresponsable, et aussi de le rendre suffisamment résistant aux agressions d'expositions (d'un climat froid), ce travail vise à développer un béton normal, pour trottoir, à air-entraîné avec une faible teneur en ciment et en sable, grâce au recyclage de la poudre de granite provenant d'une usine de production locale. Afin de répondre à nos objectifs, un état de l'art a été réalisé dans un premier temps. Ensuite, la méthodologie a été choisie. D'abord, la poudre de granite a été caractérisée avec des analyses chimiques, minérales, granulométriques, physiques (forme et texture) et aussi de son comportement en présence d'eau. Puis, le développement du béton normal est mis en place. Il est divisé en trois phases : (i) l'effet de la poudre de granite sur la résistance compression et la densité de compaction (ii) l'interaction entre la poudre de granite et l'eau dans une pâte de ciment afin qu'elle ne pénalise pas les propriétés à l'état frais, et (iii) l'optimisation de l'état frais du béton à air entraîné en variant le dosage de l'adjuvant et en considérant deux procédures de malaxage. Finalement, une étude comparative a été réalisée sur les émissions de CO₂ et l'énergie intrinsèque entre le béton commercialisé et le béton développé. Les résultats présentés montrent qu'il est possible de remplacer 20% de la pâte de ciment et 10% du sable par de la poudre de granite. Cela représente une réduction globale de 18% des émissions de carbone et de 17% de l'énergie intrinsèque, tout en satisfaisant les performances requises.

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Au Québec, les chaussées en béton perdent rapidement leur adhérence au fil du temps. C'est pourquoi le ministère des Transports et de la mobilité durable du Québec souhaite identifier une ou des formulation(s) de béton qui résiste(nt) bien au phénomène d'usure et de perte d'adhérence prématurée. L'objectif de ce projet est de créer un protocole expérimental permettant de reproduire en laboratoire l'usure et la perte d'adhérence des chaussées en béton, et ce de façon fiable et relativement rapide. Un tel protocole permettra en effet d'évaluer la performance, face à l'usure, de différentes formulations de béton incorporant une variété de granulats grossier et fin, de même que différentes matrices cimentaires. Ce mémoire présente une revue des différents types de chaussées en béton utilisées au Québec ainsi que les différents moyens existants pour effectuer le suivi de leur adhérence au fil du temps. Ensuite, il décrit des interventions sur le terrain visant à mesurer, à l'aide d'appareils spécifiques, l'adhérence des routes en béton. Enfin, il présente le calibrage du *Three-Wheel Polishing Device* (TWPD) permettant de conditionner en laboratoire des dalles de béton. Ce processus de conditionnement s'accompagne de la mise en place de différents moyens de mesure, de l'usure et de l'adhérence, en passant par le frottement et le profil des dallettes. Finalement, le protocole développé dans le cadre de ce projet permet d'obtenir des écarts significatifs de macro-texture entre des dalles incorporant deux gros granulats de nature très différente, soit un granulat granitique et un granulat dolomitique. Il entraîne une profondeur d'usure de 2 mm, ce qui permet d'observer des différences visuelles entre les différentes formulations de béton. Ce protocole peut être réalisé par une personne, avec un rythme d'un mélange de béton par semaine. / In Quebec, concrete pavements quickly lose their grip over time. This is why the Quebec Ministry of Transport and Sustainable Mobility wants to identify a concrete mix that does not present problems with wear and premature loss of adhesion. The objective of this project is to create an experimental protocol allowing the wear and loss of grip of concrete pavements to be reproduced in the laboratory, reliably and relatively quickly. Such a protocol will indeed make it possible to evaluate the performance, in the face of wear, of different concrete formulations incorporating a variety of coarse and fine aggregates, as well as different cement matrices. This MSc dissertation presents a review of the different types of concrete pavements used in Quebec as well as the different existing means of measuring their adhesion. Then, it describes field interventions aimed at measuring, using specific devices, the skid resistance of concrete roads in the Montreal region. Finally, it presents the calibration of the Three-Wheel Polishing Device (TWPD) for conditioning concrete slabs in the laboratory. This conditioning process is accompanied by the implementation of different means of measurement, from wear and adhesion, to friction and the profile of the slabs. Finally, the protocol developed as part of this project makes it possible to obtain significant differences in macro-texture between slabs incorporating two large aggregates of very different nature, namely a granite aggregate and a dolomitic aggregate. It results in a wear depth of 2 mm, which allows visual differences to be observed between different concrete mixes. This protocol can be carried out by one person, with a rate of one concrete mixture per week.

Une des causes majeures responsables de la perte de performance des ouvrages en béton armé (fissuration excessive, perte de capacité portante) peut être imputée à la corrosion des armatures présentes dans les éléments structuraux. Ce phénomène est susceptible de se développer soit par carbonatation, soit par pénétration des ions chlorures par le béton d'enrobage. C'est alors que des produits de corrosion apparaissent et génèrent des contraintes de traction qui, dès dépassement de la résistance en traction, favorisent l'apparition de fissures. D'un point de vue pratique, dès que les premières fissures sont remarquées à la surface du béton, la corrosion a généralement atteint un stade avancée et des actions de maintenance doivent être envisagées. Cela entraînent d'importants coûts évitables si une prédiction satisfaisante avait pu être réalisée. Cette étude vise à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Deux objectifs essentiels sont considérés dans ces travaux de thèse : le premier consiste à proposer des lois de comportement robuste et satisfaisantes permettant de bien décrire le comportement des éléments de structure existants et le second vise à introduire une méthode probabiliste permettant d'actuali ser les paramètres des deux modèles sur la base de l'information disponible sur le terrain. Un cadre constitutif générique couplant élasticité, endommagement isotrope et glissement interne, thermodynamiquement admissible, est pour cela développé. Cette classe de modèles est particularisée au cas de l'interface acier/béton en présence de corrosion et au cas du béton. Ces dernières peuvent être utilisées non seulement sous chargement monotone mais aussi sous chargement cyclique. Les lois proposées permettent de prendre en compte les effets hystérétiques, les déformations permanentes et l'effet unilatéral. En outre, ces dernières ont été validées sur différents cas tests. Des versions multifibres des lois précédemment mentionnées ont également été développées pour offrir à l'ingénieur des modèles simplifiés. Une prise en compte du caractère imparfait de l'interface acier/béton au sein du formalisme multifibre est notamment considérée. L'étape d'identification des paramètres mat ériaux n'est pas toujours aisée à réaliser en raison d'une part des incertitudes qui entachent ces derniers et, d'autre part, de la méconnaissance des mécanismes locaux. Ainsi, une méthodologie probabiliste complète permettant d'actualiser les paramètres d'entrée sur la base d'observations extérieures est proposée. Elle s'appuie sur une utilisation conjointe des réseaux bayésiens et de la théorie de la fiabilité. Elle permet ainsi de réduire l'écart entre la prédiction numérique et les mesures réalisées sur le terrain. Ce travail de thèse devrait contribuer à fournir aux gestionnaires d'ouvrage des outils d'aide à la décision leur permettant de mieux gérer leurs ouvrages en béton armé / A major source of a noticeable loss of performance (excessive cracking, loss of carrying load capacity) can be attributed to the corrosion phenomena induced either by carbonation or by chloride ions ingress. The corrosion products being expansive, tensile stresses are generated and usually lead to the cover concrete cracking when tensile strength is exceeded. From a practical point of view, when first observable signs of degradation are noticed on site, it is generally too late and maintenance actions have to be made. This results in important expenses that could have been avoided if a satisfying prediction had been made. This thesis aims to propose some answers to that problem. Two main objectives have been handled. The first one consists in formulating reliable constitutive models for a better understanding of the mechanical behaviour of existing concrete structures. The second objective aims to develop a probabilistic approach for updating t he mechanical model according to experimental information available on site. A general constitutive framework, thermodynamically admissible, has been proposed coupling elasticity, isotropic damage and internal sliding. This general framework has been declined in two specific constitutive models, on one hand for modelling the steel/concrete interface including corrosion and, on the other hand for modelling the concrete behaviour. Both models are validated on several structural cases. They can be used for monotonic and cyclic loadings. Besides, they account for non linear hysteretic effects, quasi unilateral effect, permanent strains, etc. Simplified versions of the proposed constitutive models are also proposed for engineering purposes within the framework of the multifiber beams theory. In the case of the steel/concrete interface, although a Timoshenko based kinematic is assumed, a non-perfect interface between steel and concrete can be considered locally. The material para meter identification is not always straightforward. Therefore, the use of robust updating methods can improve the accuracy of mechanical models. A complete probabilistic approach based on Bayesian Networks has been proposed. It allows not only considering the uncertainties related to mechanical parameters but also reducing the gap between experimental measurements and numerical predictions. This study provides to stakeholders pertinent decision tools for predicting the structural behaviour of degraded reinforced concrete structures