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.

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.

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

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

Le Damage Rating Index est une méthode pétrographique développée pour quantifier l'endommagement du béton, principalement dû à la réaction alcalis-silice. La méthode n'est cependant pas normalisée et sa variabilité est élevée. La méthode du DRI a donc été réévaluée dans le cadre d'études intralaboratoires. Une nouvelle méthode est proposée, basée sur la méthode originale en retirant des indices moins importants pour l'endommagement et en proposant de nouveaux facteurs pour les indices restants, selon de nouvelles définitions établies pour les fissures dans la pâte. Cette nouvelle méthode donne une variabilité acceptable entre opérateurs. De plus, les travaux réalisés ont permis de démontrer que la méthode du DRI s'avère un outil puissant pour la détermination de l'état d'endommagement du béton affecté par la réaction alcalis-granulats et autres phénomènes délétères.

Les bétons contenant des ajouts cimentaires subissent généralement d'importantes dégra-dations par écaillage lors des essais en laboratoire alors que le comportement de ces bé-tons en service est souvent satisfaisant. L'écaillage est influencé par une multitude de paramètres et les mécanismes responsables de ce type de dégradation demeurent mal compris. Les conditions de mise en place et de mûrissement généralement adoptées en laboratoire pourraient être responsables de la formation d'une couche superficielle de faible durabilité qui écaillerait à un taux plus rapide et qui serait plus profonde pour les bétons contenant des ajouts cimentaires. Ce projet de recherche propose une étude de l'influence de méthodes de mûrissement utilisées en chantier sur le comportement à l'écaillage évalué en laboratoire. L'effet d'une membrane drainante à la base du moule et l'effet d'un mûrissement avec une toile de jute humide ou un agent de cure chimique a été étudié sur des mélanges binaires et ternaires contenant des cendres volantes, du laitier de haut-fourneau et de la fumée de silice en différentes proportions. Les résultats montrent que la méthode de mûrissement peut avoir un effet significatif sur le comportement à l'écaillage et que cette influence dépend très fortement de la composition du mélange. L'étude de la variabilité des résultats montre que la faible reproductibilité et la faible ré-pétabilité de l'essai d'écaillage n'est pas amplifiée par la présence d'ajouts cimentaires. Les résultats soulignent l'importance de tenir compte du comportement d'un ensemble d'éprouvettes pour déterminer la résistance à l'écaillage d'un béton en laboratoire. Des essais de sorptivité et de séchage ont été réalisés sur des surfaces identiques à celles soumises à l'essai d'écaillage dans le but de caractériser la couche de surface sujette à l'écaillage. Bien que les résultats de sorptivité obtenus lors de cette étude ne permettent pas de caractériser la couche superficielle, il semble exister un lien entre la sorptivité et l'écaillage. Il ne semble pas y avoir de relation entre l'essai de séchage et l'écaillage bien que cet essai ait permis de distinguer la couche superficielle des différents bétons. Ces observations portent à croire qu'une couche superficielle plus poreuse ne serait pas entiè-rement responsable de l'écaillage des bétons contenant des ajouts cimentaires.

La réaction alcalis-silice (RAS) est un des principaux mécanismes nuisibles affectant la durabilité du béton. Le programme de recherche effectué dans le cadre de ce doctorat comprend deux parties (3 phases), soit la caractérisation microstructurale de produits de la RAS et la modélisation du mécanisme d’endommagement du béton par la RAS. Les résultats expérimentaux de cette recherche fourniront de nouvelles données sur les propriétés microstructurales de bétons affectés par la RAS. Les travaux effectués lors de la première phase du programme expérimental avaient pour objectif de caractériser les propriétés micromécaniques des produits de la RAS à l’aide de nouvelles techniques de nano- et micro-indentation, avec emphase portée sur leur propriété en viscosité. Les échantillons de béton utilisés lors du programme d’essais ont été extraits d’un pavage en béton fortement affecté par la RAS et situé dans la région de Bécancour (Québec). Le béton est caractérisé par de nombreuses particules de granulats de calcaire à grains fins contenant des microfissures remplies de produits secondaires de RAS; les fissures s’étendent dans la pâte de ciment pour former un réseau se propageant de particule en particule. Après une préparation soigneuse de l’échantillon par polissage, la surface des particules de granulats et des veinules apparaissant dans ces particules (i.e. microfissures remplies de produits cristallins de réaction) ont été examinées par Atomic Force Microscopy (AFM) avant de procéder aux essais de nano-indentation. Des valeurs de module et de dureté ont été mesurées pour les produits de réaction par micro- et nano-indentation. Les résultats de ces essais indiquent que les produits cristallins de RAS offrent un comportement de relaxation important atteignant environ 40%. De plus, un modèle rhéologique simplifié est proposé permettant de reproduire les courbes de relaxation sous charge et les valeurs asymptotiques. Ces résultats suggèrent que la relaxation des produits de RAS est importante et principalement irréversible. Les travaux de la deuxième phase du programme expérimental ont permis d’explorer l’utilisation d’une nouvelle technique de microscratch afin de caractériser l’énergie de fracturation (i.e. rigidité) des particules de granulats réactifs de type calcaire dans un béton fortement affecté par la RAS (viaduc routier de la région de Québec). Les particules de granulats montraient typiquement un zonage (zones gris-foncées et gris-pâles) entourant des veinules blanchâtres au sein des particules réactives. En tant que référence, un échantillon de calcaire vierge provenant d’une carrière de la région de Québec a été sélectionné et soumis aux mêmes procédures d’essais. En plus des propriétés élastiques, la rigidité des particules de granulats réactives ont été mesurées statistiquement et se situe autour de 1.5 MPam1/2. La rigidité de fracturation des particules de granulats réactives a démontré n’être affecté ni par la direction d’essai par rapport au plan de litage, ni par la zonation qui a d’abord été interprétée comme des portions montrant des signes de réaction. Ainsi, l’endommagement des particules de granulats semble se situer presqu’essentiellement au niveau des microfissures générées dans les particules réactives. La dernière phase du programme expérimental s’est concentrée sur la caractérisation des propriétés en fluage et en relaxation des produits cristallins de RAS remplissant les microfissures des granulats calcaire réactifs (échantillons provenant du pavage fortement affecté par la RAS utilisés lors de la première phase du programme expérimental). Les essais de micro-indentation ont été réalisés sous deux conditions d’humidité relative. Il a été observé qu’une augmentation en humidité relative réduisait fortement la déformation de fluage irréversible des produits cristallins de RAS, qui montrent un temps caractéristique plus grand. Ainsi, la teneur en eau semble favoriser le mécanisme de glissement irréversible le long ou entre les plaquettes des produits cristallins (rosettes lamellaires) de RAS sous charge constante. Finalement, les implications des résultats de ces travaux sont discutées en lien avec le processus de génération de pression à l’intérieur des particules de granulats réactives. Les propriétés rhéologiques des produits de RAS peuvent jouer un rôle critique lors du relâchement des contraintes internes induites par l’expansion de ces produits. Enfin, un modèle simplifié « 1D » est proposé comme nouvel outil de recherche, et ce afin de prendre en compte les principaux résultats de cette étude, i.e. les propriétés visco-élastiques des produits de RAS et les propriétés de rigidité des particules de granulats réactives. / The Alkali-Silica Reaction (ASR) is one main detrimental factor to affect the durability of concrete. The research comprises two parts, i.e. microstructural characterization of ASR products (3 phases), and modeling of concrete damage due to ASR. The experimental results will provide new findings on the microstructure properties of ASR-damaged concrete. The work in the first phase of the research aims at characterizing the micromechanical properties of ASR products by new techniques of nanoindentation and micro-indentation, with emphasis on their viscous behavior. The concrete samples were extracted from a heavily ASR-affected concrete pavement in Bécancour (Québec). The concrete is characterized by numerous fine-grained limestone aggregate particles with microcracks filled with secondary reaction products that extend into the cement into a network from one aggregate particle to another. After careful sample preparation (polishing), the surface of the aggregate particle and of the veinlets (i.e. cracks filled with crystalline ASR product within the aggregate particles) was examined by Atomic Force Microscopy (AFM) before nanoindentation testing. Both nanoscale and microscale indentation modulus and hardness of ASR products were measured. The test results show that ASR crystalline products exhibit important relaxation behavior of about 40%. Then, a simplified rheological model was proposed to fit the load relaxation curves and their asymptotic values. These results suggest that ASR product relaxation is significant and mostly irreversible. The second research phase explored the use of the novel micro-scratch technique to characterize the fracture energy (i.e., toughness) of the ASR-affected limestone aggregate particles within a core specimen extracted from a heavily ASR-affected concrete bridge from the Québec City area. The ASR-affected aggregate particles were typically showing “zoning” (i.e. light grey and dark grey) surrounding white veinlets within reacted limestone aggregate particles. As a reference, an undamaged/virgin quarried limestone specimen from a local quarry was selected and subjected to similar testing. Besides the elastic properties, the toughness of the reactive aggregate particles was statistically measured to be around 1.5 MPam1/2. The fracture toughness of reactive aggregate particles was affected neither by the bedding line directions nor by the “zoning” that was first thought to correspond to “reacted” portions of the particles. Besides the major cracks filled by ASR products, the results indicated that the surrounding reactive aggregate was not characterized by any significant internal damage distribution. In the later phase of the experimental program, our research focused on characterizing the creep and stress relaxation properties of the ASR crystalline products typically filling microcracks within reactive limestone particles (specimen from the heavily ASR-affected concrete pavements in Bécancour (Québec) used in phase 1). The testing carried out was micro-indentation under controlled relative humidity. It was found that an increase in relative humidity strongly reduces the irreversible creep deformation of ASR crystalline products, which act a greater characteristic time. That is, the water content seems to favor irreversible sliding mechanisms along/between the ASR crystals under constant load. Finally, the implications the research findings are discussed with respect to the stress build-up process within reactive aggregate particles. The rheological property of ASR products may play a critical role to releasing the internal stress induced by the ASR product expansion. Finally, a “1D thought model” is proposed as a new research avenue to account for the major results of this work into ASR-damaged concrete modeling, i.e., the visco-elastic property of ASR products and the damage toughness of reactive aggregates.

Le mémoire traite de l'utilisation des bétons à retrait compensé pour des réparations minces de structures de béton. Ces réparations sont sujettes au retrait de séchage qui provoque généralement la fissure de la couche de réparation et diminue leur durée de vie. Les bétons à retrait compensé sont fabriqués avec du ciment expansif type K (BRC-K) et avec du ciment ordinaire additionné d'un agent expansif à base de chaux (BRC-C). L'étude porte également sur l'influence de l'ajout de fumée de silice aux mélanges sur la réaction d'expansion et le comportement général du béton. La première partie du travail est vouée à l'analyse de la réaction d'expansion du BRC-C en fonction du dosage en agent expansif, du type et de la durée de mûrissement humide, ainsi que de la surface de béton exposée au mûrissement et au séchage par rapport au volume des éprouvettes. À l'aide de ces résultats, il est possible de déterminer les conditions d'essais qui seront utilisées dans l'étude comparative faite avec le BRC-K. La réaction d'expansion du ciment type K est bien documentée dans la littérature, les essais préliminaires ont servi à valider les valeurs déjà obtenues dans d'autres études. De façon générale, les BRC permettent de compenser le retrait de séchage lorsque le mûrissement humide est fait en immersion dans l'eau durant une période de 7 jours. Cette condition a donc été retenue pour la deuxième partie de ce travail. La seconde partie de la recherche comporte une série de nombreux essais visant à mesurer l'expansion et le retrait libre des mélanges de BRC et à étudier le comportement d'une couche de réparation sur un support de béton mûri et volumétriquement stable. Les essais sur des éprouvettes composites ont permis de calculer et mesurer l'effet de précontrainte procuré par l'expansion du BRC restreinte par un support. De plus, la qualité et la durabilité de l'adhérence, de même que la fissuration suite au séchage d'une couche de réparation ont été mesurées sur des dalles de béton mûri et stable. Ces essais ont montré que les BRC ont un meilleur comportement qu'un béton ordinaire lorsqu'ils sont utilisés pour une réparation mince. Aussi, les résultats obtenus montrent que la précontrainte de compression générée par l'expansion restreinte de la couche de réparation peut contribuer à diminuer les contraintes de tension induites par le retrait de séchage. Enfin, la dernière partie vise l'étude de la durabilité des BRC face aux cycles de gel et de dégel en présence de chlorures. Ainsi, les différents mélanges de BRC ont été soumis aux essais de gel-dégel et d'écaillage. Afin de mieux en analyser les résultats, ces essais sont couplés à une caractérisation du réseau de bulles d'air dans la pâte de ces bétons. Les résultats montrent que les BRC ont sensiblement le même comportement que le béton ordinaire face au gel-dégel et à l'écaillage. En conclusion, suite à cette étude, l'utilisation des BRC dans le domaine des réparations minces en béton semble possible et mérite d'être analysée plus en profondeur afin d'éventuellement les inclure comme matériau reconnu à la disposition des concepteurs de réparations.

Certaines structures hydro-électriques au Québec subissent un vieillissement prématuré causé par la réaction alcalis-silice (RAS). Cette pathologie entraîne l'expansion, la fissuration, et la dégradation des propriétés mécaniques du béton, en plus d'occasionner des problèmes opérationnels. Ce projet de maîtrise s'intègre dans le cadre d'un programme de recherche collaboratif avec Hydro-Québec, qui a comme but de prédire les comportements expansifs ainsi que l'évolution de l'endommagement des structures hydroélectriques atteintes par cette pathologie, afin d'ultimement prolonger leur durée de vie utile. Cette étude a plus précisément comme objectif de caractériser l'évolution des propriétés mécaniques, l'endommagement et l'expansion d'un béton de masse en particulier atteint par la RAS, en plus de déterminer si ces paramètres présentent un caractère anisotrope. Des éprouvettes de béton de composition similaire au béton du barrage à l'étude, dont certaines sont caractérisées par une orientation des particules du gros granulat perpendiculaire, et d'autres parallèle (issues d'un forage vertical et horizontal) à la direction de consolidation, ont été placées en conditions propices au développement de la RAS. Par groupe de six, ces éprouvettes ont été retirées de cet environnement à l'atteinte de différents niveaux d'expansion, afin de réaliser des essais de résistance en compression, Stiffness Damage Test (SDT) et une analyse pétrographique. Une série de référence incorporant un granulat non réactif a aussi permis d'évaluer l'impact du surdosage en alcalis sur les propriétés mécaniques du béton. Tel qu'attendu, l'expansion présente un fort caractère anisotrope, mais qui n'est en revanche pas nécessairement relié à l'orientation des particules du gros granulat. L'évolution des paramètres de sortie du SDT s'est révélée isotrope pour des niveaux d'expansion inférieurs à 0,20%, et anisotrope au-delà de ce seuil. La résistance en compression n'a quant à elle subi aucune réduction avec l'avancement de la RAS, et semble présenter un caractère isotrope à tous les niveaux d'expansion.

Cette thèse porte sur l'étude de l'efficacité d'adjuvants à base de lithium pour contrer la réaction alcalis-silice dans le béton (RAS). Les principaux objectifs étaient les suivants: (1) évaluer la performance d'une solution de UNO₃ et d'un verre de lithium pour contrer la RAS avec l'aide de l'essai sur prismes de béton d'une durée de deux ans à 38°C (CSA A23.2-14A ou ASTM C 1293) et à jusqu'à neuf mois à 60°C (essai modifié), (2) modifier l'essai accéléré sur barres de mortier (CSA A23.2-25A ou ASTM C 1260) afin de permettre l'évaluation de l'efficacité de ces adjuvants, et (3) étudier les mécanismes à l'origine de l'efficacité du lithium. Pour ce faire, les essais de laboratoire mentionnés plus haut ont été réalisés sur une sélection de granulats réactifs représentant différents faciès (types de roches) à travers le Canada et les Etats-Unis. Les essais sur prismes de béton démontrent que le LiNO₃, à un ratio molaire [Li]/[Na+K] de 0,74, permet de réduire l'expansion sous la limite de 0.04% après deux ans à 38°C, avec six des douze granulats testés; trois autres granulats exigent un dosage entre 0,74 et 1,11. Un dosage jusqu'à 1,11 n'est pas suffisant pour les trois derniers granulats. Le dosage requis varie donc d'une source de granulats à l'autre et ne peut être relié au type de granulats ou à son degré de réactivité. Le verre de lithium en poudre ne s'est pas du tout avéré efficace. Les ajouts cimentaires testés en parallèle aux adjuvants à base de lithium (à titre comparatif) se sont montrés efficaces s'ils ont une composition appropriée et s'ils sont utilisés à un dosage adéquat. Leur combinaison avec le LiN03 n'a pas démontré d'efficacité supplémentaire. L'expansion des éprouvettes de béton conservées pendant six mois à 60°C présente une bonne corrélation avec celle des prismes testés pendant deux ans à 38°C, mais seulement pour les mélanges témoins. Une version modifiée de la méthode accélérée sur barres de mortier ASTM Cl260 (ou CSA A23.2-25A), d'une durée de 28 jours, est proposée pour évaluer le ratio [Li]/[Na+K] efficace à utiliser dans le béton pour contrer la RAS. Cette méthode prédit ce ratio pour les granulats répondant relativement bien au LiN0₃ et identifie les granulats qui répondent moins bien à ce produit (i.e. ceux qui nécessiteront l'utilisation d'un dosage significativement supérieur au dosage « standard » de 0,74 recommandé par le manufacturier. Des analyses au microscope électronique à balayage (MEB), par spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS), par diffraction X et sous lumière ultra-violette ont été réalisées sur divers échantillons de bétons, de mortiers, de granulats et de particules réactives. L'analyse comparative des résultats de ces essais suggèrent que la réduction ou la suppression de la dissolution de la silice, et ce, pour une autre raison que la réduction du pH ou la formation d'une couche protectrice sur les phases réactives, est le mécanisme le plus probable pour expliquer l'efficacité du LiN0₃ contre la RAS. Ce mécanisme demeure toutefois inexpliqué.