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.

Il existe un manque d’information technique dans l’industrie quant à l’emploi du mortier projeté à basse vitesse, particulièrement pour les réparations structurales. En effet, les faibles vitesses de projection des particules génèreraient une énergie de consolidation limitée du matériau et une adhérence potentiellement compromise avec la surface réceptrice. De plus, les barres d’armature sembleraient difficiles à enrober, un élément essentiel au succès de travaux de réfection. Par opposition, le béton projeté traditionnel utilise la vitesse pour répondre aux exigences de consolidation, d’adhérence et d’enrobage des barres d’armatures. Conséquemment, l’objectif de ce projet de recherche est de cerner les différences techniques entre le mortier projeté à basse vitesse et le béton projeté, notamment par l’emploi de différents équipements. L’examen du mortier projeté à basse vitesse a permis d’établir les différences en termes de technique de mise en place, de propriétés mécaniques et de durabilité du matériau, de qualité de la réparation et de vitesse de projection des particules. La composition des mélanges permet l’obtention de très bonnes propriétés mécaniques et d’une grande durabilité du matériau, et ce peu importe le type de lance utilisé et la quantité d’air ajoutée pour accélérer le matériau à la sortie de la lance. De plus, ces mortiers offrent d’excellentes valeurs d’adhérence sur le substrat de béton à réparer. Les distinctions se trouvent davantage liées à la mise en place et à la vitesse de projection des particules. En effet, le mortier projeté à basse vitesse ne produit pratiquement aucun rebond et les vitesses de projection produites sont très faibles et dépendent des équipements utilisés (2,6 à 4,5 m/s contre 33 m/s en béton projeté par voie humide). Les résultats démontrent qu’une manipulation de la lance adaptée au type de procédé pneumatique utilisé est l’élément essentiel à la réalisation des travaux de qualité. Ainsi, suivant la sélection de la lance la plus adaptée, une nouvelle technique de mise en place est développée pour réaliser de bons enrobages de barres d’armature de faible diamètre avec le mortier projeté à basse vitesse. / There is a lack of technical information in the industry about the use of Low Velocity Sprayed Mortar (LVSM), specifically for structural repairs. Indeed, the low velocities of the particles would generate a limited consolidation energy of material and a potentially compromised adhesion with the receiving surface. Furthermore, reinforcing bars would seem difficult to encapsulate, an essential element for the success of durable works. In contrast, traditional shotcrete uses velocity to meet the requirements of consolidation, adhesion and reinforcing bars encapsulation. Consequently, the objective of this research project is to determine the technical differences between LVSM and shotcrete, especially by the use of different equipment. The LVSM investigation has allowed to establish the differences in terms of placement technique, mechanical and durability properties, repair quality and particles velocities. The composition of good mortar mixture allows to reach very good mechanical properties and good material durability, regardless of the nozzle type and air flow used to accelerate the material at the nozzle. Furthermore, theses mortars gave excellent adhesions on the repaired concrete substrate. The distinctions are more about the placement method and particles velocity. Indeed, LVSM does not produce rebound and the particles velocities measured are very low and depend of the equipment (2,6 to 4,5 m/s against 33 m/s in wetmix shotcrete). The results demonstrate that an adapted placement technique is an essential element to achieve a successful application. Thus, following the selection of the most appropriate nozzle, a new placement technique is developed to adequately encapsulate reinforcing bars of small diameter with LVSM.

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.

L’objectif général du projet est de valider l’existence d’un effet d’échelle liant temps d’initiation de la corrosion à la taille des éléments en béton armé. Dix-huit poutres ont été fabriquées avec les mêmes caractéristiques, soit : la même section transversale, le même gâchage de béton, le même lot d’acier, la même épaisseur de béton de recouvrement et les mêmes conditions de cure. Le seul facteur qui diffère entre les poutres est la longueur. Six poutres ont été construites avec une longueur de 0,60 m, six de 1,80 m et six de 3,00 m. Les éléments ont été exposés à un environnement salin (3% de NaCl) avec des cycles de mouillage de 2,5 jours et de séchage de 4,5 jours. Il a été confirmé que la taille des éléments en béton armé a une influence sur le temps d’initiation de la corrosion. Ce dernier diminue lorsque la taille de l’élément augmente. / The main objective of the study was to validate the existence of a scale effect of the initiation corrosion time related to the size of the reinforced concrete elements. Eighteen beams were poured with the same characteristics: same cross-section, same concrete pouring, same steel batch, same thickness of concrete and same curing conditions. The only difference between the beams was their length. Six beams were built to the length of 0.60 metres, six to 1.80 metres and six to 3.0 meters. The elements were exposed to a saline environment (3% of NaCl) with wetting cycles of 2.5 days and drying cycles of 4.5 days. It was confirmed that in the work conditions of the project, the size of the reinforced concrete elements has an influence on the corrosion initiation time. The initiation time decreases as the size of the element increases.

Les bétons alcali-activés à base de laitiers de haut-fourneau et de cendres volantes offrent une alternative à plus faible empreinte écologique au béton de ciment portland. Ainsi, ces bétons dits alcali-activés utilisent des précurseurs à base d’aluminosilicate qui se veulent souvent des résidus industriels en remplacement complet du ciment portland. Ces nouveaux bétons sont des alternatives intéressantes aux bétons usuels, mais le manque de données sur leur durabilité est un frein majeur à leur utilisation. Le but de cette recherche doctorale est d’évaluer la durabilité de ces bétons quant à leur performance aux cycles de gel-dégel, à la résistance à l’écaillage en présence de sels déglaçants, aux changements volumétriques et face à la réaction alcalis-silice. La présence de microfissures en bas âge dans la matrice durcie des bétons alcali-activés résulte vraisemblablement du phénomène de retrait endogène. La quantification de cette microfissuration précoce a été possible via l’application de la méthode d’analyse du Damage Rating Index (DRI) qui a permis de mettre en évidence qu'une augmentation croissante de la teneur en cendres volantes du précurseur se traduit par une diminution de l’ampleur de cette microfissuration. La taille moyenne des pores mesurée des systèmes alcali-activés étudiés est inférieure aux valeurs des systèmes à base de ciment portland et la concentration élevée en ions sodium de la solution interstitielle font augmenter les tensions de surface générées dans les pores lors du phénomène d’autodesiccation. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes de ces travaux ne montrent aucun endommagement après 300 cycles de gel-dégel (Procédure ASTM C 666) avec ou sans l’utilisation d’un agent entraineur d’air. Ces mêmes bétons n’offrent toutefois pas une performance acceptable face à l’écaillage en présence de sels déglaçants avec des masses moyennes écaillées largement supérieures à la limite BNQ de 0,5 kg/m². La présence de microfissures, le ressuage, le lessivage des alcalis et la carbonatation en surface sont trois phénomènes observés qui peuvent expliquer les piètres performances à l’écaillage en présence de sels déglaçants. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes offrent différents niveaux de performance face à la réaction alcalis-silice en fonction de la teneur en cendres volantes (20, 30 et 40 %). Une augmentation de la fraction de cendres volantes se traduit par une diminution de l’expansion pour tous les différents granulats réactifs testés. Les bétons alcali-activés laitiers/CV incorporant des granulats réactifs (réactivité moyenne à extrême) montrent des endommagements allant de négligeables à marginaux après 2 ans (CSA A23.2-14A/28A). / Alkali-activated slag and fly ash-based concretes offer a low environmental footprint alternative to conventional portland cement-based concretes. These new materials use aluminosilicate-based precursors that are mostly industrial by-products in replacement of portland cement. To initiate the dissolution of these precursors and the subsequent cohesive paste formation, a highly alkaline solution is needed as activator. Although promising in terms of mechanical properties and chemical attack resistance, more research is needed to validate their long-term durability. Therefore, the main objective of this doctoral research is to evaluate the durability of alkali-activated slag/fly ash concretes regarding volumetric variations, freeze-thaw cycling, surface scaling in presence of deicing salts and alkali-aggregate reactivity. The presence of early-age microcracking in the hardened alkali-activated paste phase of these concretes seems to result mostly from the phenomenon of autogenous shrinkage. The quantification of this early-age microcracking through the Damage Rating Index (DRI) method showed that increasing fly ash contents in alkali-activated slag/fly ash systems results in decreasing values of DRI. When compared to portland cement-based systems, alkali-activated slag/fly ash systems show lower average pore sizes and higher sodium concentrations in their pore solution which both increase the surface tensions generated by self-desiccation. The alkali-activated slag/fly ash concretes of this study show no significant damage when exposed to 300 freeze-thaw cycles (ASTM C 666 Procedure) with or without the use of an air entraining admixture. However, these concretes offer poor performance when exposed to de-icing salts (in freeze-thaw conditions) with average scaling masses largely over the 0.50 kg/m² BNQ limit. Earlyage microcracking, alkali leaching and surface carbonation were observed on all the tested specimens and could explain the overall poor performance of these concretes to surface scaling in presence of de-icing salts. The performance of alkali-activated slag/fly ash concretes with regards to alkalis-silica reaction in the presence of reactive aggregates is mostly influenced by the fly ash content (20, 30 and 40 %). For all the tested reactive aggregates, increasing the fly ash content results in decreasing expansion values. Petrographic examinations (DRI) following the expansion testing confirms the presence of negligible to marginal damage after 2 years of testing in these concretes when incorporating moderately to extremely reactive aggregates.

La réaction alcalis-silice (RAS), une réaction chimique entre certaines phases minérales siliceuses des granulats et les hydroxydes alcalins de la solution interstitielle du béton, fait partie des processus affectant la durabilité des infrastructures en béton. Au cours des dernières années, plusieurs méthodes ont été développées afin d’évaluer l’état actuel et le potentiel de détérioration future de bétons atteints de RAS. Parmi celles-ci, les méthodes pétrographiques du Damage Rating Index (DRI) et de l’Analyse d’Image (AI) sur plaques polies imprégnées à la résine époxyde fluorescente possèdent le potentiel de devenir des outils diagnostiques du degré d’endommagement du béton affecté par la RAS, paramètre critique lors de la sélection des méthodes de réfection des structures affectées. Ce projet consiste à développer une approche d’analyse pétrographique semi-quantitative de l’état d’endommagement de bétons affectés par la RAS par une combinaison de l’AI et du DRI. Pour ce faire, le niveau d’endommagement microstructural de bétons incorporant différents types de granulats réactifs a été évalué par ces deux méthodes et les résultats analysés de façon critique.

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

Ce mémoire de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton sous fort confinement, à l'échelle mésoscopique, celle des granulats et de la matrice cimentaire. Le cadre plus général de cette étude est la compréhension du comportement du béton sous chargement dynamique de type impact, pouvant générer des pressions moyennes de l'ordre du GPa. Mais la caractérisation de la réponse d'un matériau, dans un état de contraintes homogène, ne peut se faire que par des essais quasi-statiques. Les essais déjà réalisés au laboratoire 3S-R ont mis en évidence l'importance des granulats dans la réponse en compression triaxiale du béton. La modélisation du béton à l'échelle mésoscopique, sous la forme d'une phase mortier et d'une phase granulats, permet une représentation de l'effet des granulats. Une étude expérimentale du comportement de la phase mortier est réalisée. Des essais usuels et des essais hydrostatiques et triaxiaux entre 60 et 650MPa de confinement permettent d'identifier les paramètres d'un modèle de comportement de type plasticité couplée à l'endommagement. Celui-ci reproduit la compaction non-linéaire du mortier, l'endommagement des essais de compression ou de traction simple et la plasticité sous fort confinement. Le modèle biphasique utilise la méthode des éléments finis, en utilisant un maillage cubique régulier. Une méthode de Monte-Carlo est utilisée pour placer sur cette grille des granulats quasi-sphériques selon la granulométrie mesurée sur le béton de référence. Les simulations numériques sont comparées aux essais expérimentaux sur ce béton. Ces simulations, dont les paramètres sont identifiés par les essais expérimentaux sur mortier, reproduisent les différentes phases observées lors de la compaction hydrostatique. L'évolution des raideurs axiales avec le confinement est soulignée, ainsi que la bonne reproduction des états-limites des essais triaxiaux sous fort confinement. Les faciès de rupture des essais numériques sont comparables à ceux des essais expérimentaux. Les chargements d'extension triaxiale mettent en évidence les limites du modèle biphasique