La dégradation des matériaux poreux par l'intrusion d'une solution saline est connue depuis longtemps, mais demeure aujourd'hui un phénomène complexe à étudier en raison des multiples paramètres à considérer. Ce document propose des pistes d'amélioration du comportement des matériaux cimentaires afin de s'intégrer dans le cadre plus vaste de la prédiction du comportement des matériaux cimentaires face à la formation de phases expansives dans leur structure poreuse. La première partie de cette thèse se consacre à la revue bibliographique de la dégradation par l'action externe des sulfates et dresse le cadre général de l'étude des milieux poreux et du transport hydrique ainsi que le principe de dégradation par croissance d'un cristal de sel dans un milieu poreux. La stratégie de recherche qui en résulte s'articule autour de deux campagnes expérimentales. La première concerne l'application de la microfluidique, science qui mesure le comportement des fluides à l'échelle du micron, pour améliorer notre compréhension des phénomènes de saturation et de séchage d'un matériau poreux selon diverses solutions. Deux types de dispositifs ont été envisagés soit par lithographie au plasma et par érosion chimique après altération d'un substrat de verre par le passage d'un faisceau laser concentré. La seconde campagne expérimentale s'attache à l'analyse de matériaux cimentaires soumis à des solutions agressives diverses et dans des conditions de variation hydriques afin d'évaluer la combinaison de dégradations physico-chimiques par réactions chimiques avec les hydrates et par précipitation de sels. Finalement, un modèle de transport réactif multiphasique est présenté ainsi qu'une nouvelle approche basée sur la répartition de la distribution poreuse pour calculer les pressions induites à différentes échelles matériau. Le système d'équations appliqué à la poromécanique est alors développé en vue d'une résolution numérique des pressions générées par expansion d'une phase. Pour conclure ce document, des perspectives de modification des normes relatives aux attaques sulfates sont entrevues et de nouvelles avenues possibles grâce à l'émergence de nouvelles technologies sont esquissées. Des propositions de développement additionnel du modèle sont également adressées. / The degradation of porous materials by the intrusion of saline solution is known for centuries but still nowadays remains a complex phenomenon to be considered. This thesis proposes ways of improving the behavior of cementitious materials in order to integrate into the larger framework of predicting the behavior of cementitious materials in the face of the formation of expansive phases in their porous structure. This document is divided into five main parts. The first two parts are devoted to the bibliographic review of the degradation by the external action of sulfates and establish the general framework of the study of porous media and water transport as well as the principle of degradation by an expansion of a crystal salt into a porous medium. The resulting research strategies are centered around two experimental campaigns and the establishment of a poromechanical model with reactive transport model. The third part concerns the application of microfluidics, innovative science that measures fluid behavior at the micron scale, to improve our understanding of the saturation and drying phenomena of a porous material exposed to various saline solutions. Two types of devices are studies either by plasma lithography and by chemical erosion after the alteration by the passage of a concentrated laser beam of a glass substrate. The fourth part deals with the analysis of cementitious materials exposed to various aggressive solutions and wetting/drying condition in order to combine chemical reactions with hydrates and salts precipitation. The fifth part sets up a multiphasic reactive transport model and a new approach based on the pore size distribution repartition to calculate the pressures induced on pore walls at several material scales. Poromechanics equation system is then developed to solve pressure generation for numerical resolutions of the degradation. Finally, ideas to improve the standards for understanding the interaction of sulfates and possible new avenues through the advent of new technologies are outlined. Additional development proposals for the model are also addressed.

Ce travail porte sur le comportement structural des réparations minces en béton soumises aux chargements mécaniques monotones et cycliques. L'objectif est l'étude des mécanismes susceptibles d'engendrer l'apparition et la propagation de fissuration au niveau de l'interface. L'étude s'intéresse particulièrement à l'influence du mode de sollicitation sur la fissuration interfaciale et à la durabilité des éléments composites La méthodologie repose sur trois étapes expérimentales. La première concerne le comportement structural d'une vaste gamme de configurations d'éléments composites en considérant une méthode unique de préparation de surface. La seconde met l'accent sur le rôle de cette préparation sur les mécanismes de décollement. La dernière aborde la sensibilité du comportement des structures composites en présence de défaut de collage. Les résultats montrent que lorsque le plan interfacial est suffisamment rugueux ([alpha]rugo [supérieur ou égal à] 10 [degré]), il n'y a pas de décollement quel que que soit le type de sollicitation. Globalement, les résultats obtenus démontrent que les réparations minces adhérentes en béton se comportent très bien lors des chargements monotones et cycliques et que dans des conditions de mise en oeuvre adéquates et avec des matériaux de qualité, elles constituent une alternative de réhabilitation viable et pertinente dans plusieurs situations.

La corrosion des armatures en acier est l'un des mécanismes les plus destructifs pour les structures en béton armé. La corrosion nuit non seulement à l'intégrité structurale et à l’aptitude au service de la structure endommagée, mais peut aussi entraîner des défaillances inattendues ou des ruptures fragiles. Malgré les dispositions rigoureuses de la plupart des codes de pratique pour éviter la corrosion, des signes de dommages dus à la corrosion sont toujours signalés. Récemment, des systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibre (MCRF) ont été proposés comme une technique innovante de renforcement/réparation pour les structures en béton afin de surmonter les inconvénients associés à l'utilisation des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF). Bien que l'utilisation de composites MCRF pour renforcer les éléments en béton non endommagés ait prouvé son efficacité, très peu est connu sur la viabilité de leur utilisation pour renforcer les éléments en béton endommagés à divers niveaux dus à la corrosion. De plus, les comportements de post-réparation et la durabilité à long-terme des éléments corrodés et renforcés par les systèmes MCRF et qui seront probablement exposés aux mêmes conditions environnementales qui prévalaient avant leur réparation, n'ont pas retenu l'attention des chercheurs dans la littérature. De plus, la plupart de nos infrastructures, telles que les ponts et garages de stationnement, sont susceptibles d'être endommagées par la corrosion tout en étant soumises à des charges oscillatoires qui provoquent de la fatigue. À ce jour, aucune information n'est disponible sur l'effet de la combinaison de la charge de fatigue et de la corrosion dans les structures renforcées par les systèmes MCRF. Dans ce travail, les comportements monotones et de fatigue en flexion des poutres en béton endommagées par la corrosion et renforcées par des systèmes MCRF ont été étudiés en plus de leur performance à long-terme, c'est-à-dire après une exposition à un environnement corrosif après leur renforcement. Le travail comprend des investigations expérimentales et numériques. Les prédictions analytiques et les formulations théoriques actuellement disponibles dans les codes de conception ont été aussi vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux. Le programme expérimental consistait à tester trente (30) poutres en béton à grande échelle de 150 × 250 × 2800 mm. Les poutres ont été construites et testées en configuration de charge à quatre points. Un processus accéléré de corrosion a été utilisé pour corroder les armatures d'acier en traction dans le tiers central des poutres. Les paramètres d'essai comprenaient le niveau de corrosion (représenté par 10, 20 et 30% de perte de masse dans l'acier de traction), le type de système de renforcement utilisé (Polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF), MCRF de carbone et PRF), la quantité de composites MCRF (1, 2, 3 et 4 couches), le schéma de renforcement MCRF (couches ancrées aux extrémités par rapport aux couches continues sous forme U) et le régime de chargement (monotone et fatigue). Les résultats des tests ont montré que l'utilisation de composites MCRF améliorait significativement le comportement en flexion des poutres corrodées. Les composites MCRF ont contrôlé le mode de défaillance des poutres renforcées plutôt que le niveau de corrosion des barres d'acier. Les poutres renforcées par la MCRF ont montré une augmentation de leurs résistances ultimes variant entre 7 et 65% de celles des poutres vierges (poutres ni corrodées ni renforcées) en fonction du type, de la quantité et du schéma de la MCRF utilisée. L'exposition des poutres réparées par la MCRF à d’autres cycles de corrosion a entraîné une réduction de 23% de la perte de masse de l'acier. Le schéma en U était plus efficace que le schéma d'ancrage aux extrémités à retarder le délaminage des couches de MCRF dans les poutres renforcées et testées à court terme. Il a également atténué l'effet des fissures de corrosion longitudinales et, par conséquent, a augmenté l'efficacité du renforcement MCRF. Les essais de fatigue ont montré que la corrosion des barres d'acier diminuait considérablement la résistance à la fatigue des poutres non renforcées. Le renforcement avec des composites MCRF a augmenté la durée de vie en fatigue des poutres endommagées par la corrosion de 38 à 377% de celle des poutres corrodées non-renforcées. Cependant, le renforcement par MCRF n'a pas restauré la durée de vie en fatigue des poutres vierges. Dans l'étude numérique réalisée dans ce travail, des modèles d'éléments finis (ÉF) tridimensionnels (3D) ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des poutres corrodées et renforcées par des composites MCRF et PRF à l'aide du progiciel ATENA-3D. Les résultats de l'analyse numérique étaient en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement en termes de modes de défaillance, de déformations, de capacités de charge et de flèches. Les modèles ÉF développés ont été capables de capturer le comportement non-linéaire des poutres testées avec une bonne précision. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étudier l'effet de la résistance à la compression du béton et de l'épaisseur de recouvrement des armatures sur l'efficacité de renforcement des systèmes composites. Il a été observé que la rupture des poutres renforcées par des FRCM était indépendante de la résistance à la compression du béton ou de l'épaisseur de de recouvrement et était régie uniquement par le glissement du tissu dans la matrice. Sur le plan analytique, les équations de conception de l’ACI-549.4R-13 (ACI 2013) ont été évaluées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations théoriques de l’ACI-549.4R-13 peuvent raisonnablement prédire les résistances ultimes des poutres renforcées ancrées à l'extrémité mais sous-estimer celles des poutres ancrées en continu sous forme U. Un facteur de schéma de 1,1 a ensuite été proposé pour calculer la résistance nominale des poutres renforcées par MCRF sous forme U. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et cinq conférences, comme détaillé tout au long de la thèse. / Corrosion of steel reinforcement is one of the most destructive mechanisms for reinforced concrete (RC) structures. Corrosion not only impairs the structural integrity and the serviceability of the damaged structure, but it may also lead to unexpected and brittle failures. Despite the rigorous provisions of most codes of practice to avoid corrosion, evidences of corrosion damage are still being reported. Recently, fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems were proposed as an innovative strengthening/repair technique for RC structures to overcome the drawbacks associated with the use of the well-documented fiber-reinforced polymer (FRP) systems. While the use of FRCM composites to strengthen un-damaged RC members has proven its efficiency, very little is known about the viability of their use to retrofit RC members with various levels of corrosion damage. In addition, the post-repair performance and the long-term durability of the FRCM-strengthened corroded members, which most likely will be exposed to the same environmental conditions that have prevailed prior their repair, have not received attention in the literature. Moreover, most of our infrastructures such as bridges and parking garages are susceptible to corrosion damage while continuously being subjected to oscillatory loads that cause fatigue. To date, no information is available about the effect of combining fatigue loading with corrosion in FRCM-strengthened structures. In this work, the monotonic and fatigue flexural behaviors of corrosion-damaged RC beams strengthened with FRCM systems were investigated in addition to their long-term performance, i.e. after further exposure to corrosive environment following their strengthening. The work includes experimental and numerical investigations. The analytical predictions and theoretical formulations that are currently available in the design codes have been verified against the experimental results. The experimental program consisted of testing thirty (30) large-scale RC beams of 150×250×2800 mm. The beams were constructed and tested under four-point load configuration. An accelerated corrosion process was utilized to corrode the bottom steel reinforcement in the middle third of the test specimens. The test parameters included the level of corrosion damage (represented by 10, 20, and 30% mass loss in the tensile steel), the type of the strengthening system used (Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM), C-FRCM, and FRP), the amount of FRCM composites (1, 2, 3, and 4 layers), the FRCM strengthening Scheme (end-anchored versus continuously wrapped layers), and the loading regime (monotonic and fatigue). The test results showed that the use of FRCM composites significantly enhanced the flexural behavior of the corroded beams. FRCM governed the failure mode of the strengthened beams rather than the level of corrosion damage of the steel bars. FRCM-strengthened beams showed an increase in their ultimate strengths that ranged between 7 and 65% of that of the virgin (neither corroded nor strengthened) beam based on the type, amount, and Scheme of the FRCM used. Exposing the repaired beams to post-repair corrosion resulted in 23% reduction in the steel mass loss. The U-wrapped scheme was more efficient than the end-anchoring scheme in delaying the delamination of the FRCM plies in the short-term repaired beams. It also mitigated the effect of the longitudinal corrosion cracks and consequently increased the post-repair strengthening effectiveness of FRCM systems. Fatigue tests showed that corrosion of steel bars dramatically decreased the fatigue life of the unstrengthened-beams. Strengthening with FRCM composites increased the fatigue life of the corrosion-damaged beams by 38 to 377% of that of the corroded-unstrengthened beams. However, FRCM strengthening did not restore the fatigue life of the virgin beams. In the numerical study carried out in this work, three-dimensional finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the corroded beams strengthened with FRCM and FRP composites using the software package ATENA-3D. The results of the numerical analysis were in good agreement with those obtained experimentally in terms of failure modes, strains, load-carrying capacities, and deflections. The developed FE models were able to capture the non-linear behavior of the tested beams with good accuracy. A parametric study was then conducted to investigate the effect of concrete compressive strength and thickness of concrete cover on the strengthening effectiveness of the composite systems. It was observed that failure of RCM-strengthened beams was independent of the compressive strength of concrete or the thickness of the concrete cover and was governed only by fabric slippage within the matrix. Analytically, the design equations of ACI-549.4R-13 (ACI 2013) were assessed using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the theoretical formulations of CI-549.4R-13 can reasonably predict the ultimate strengths of the end-anchored strengthened beams but underestimated those of continuously-anchored beams. A scheme factor of 1.1 was then proposed to calculate the nominal strength of beams strengthened with continuously-wrapped shape of FRCM. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles and five conferences, as detailed throughout the thesis.

La réaction alcalis-silice (RAS) est une des causes principales de détérioration précoce des bétons utilisés dans la fabrication des infrastructures. La RAS, qualifiée de cancer du béton, est une réaction se produisant entre les hydroxydes alcalins de la solution présente dans les pores de la pâte de ciment hydratée et certaines phases minérales siliceuses des granulats. Cette réaction engendre la formation d'un gel expansif qui absorbe des molécules d'eau et diverses espèces ioniques de la solution interstitielle, créant ainsi une pression entraînant la microfissuration interne du béton, la macrofissuration de surface et ultimement, dans certains cas, une réduction significative de la durée de vie utile de l’élément atteint. Ce type de réaction touche un grand nombre de structures au Québec, au Canada et à travers le monde; un des principaux problèmes lié à ce phénomène est qu’il est très difficile de réparer de façon efficace les structures affectées par ce " cancer ". Les essais normalisés A23.2-27A et 28A de l'Association Canadienne de Normalisation (CSA) (2009); (CSA) (2009) proposent diverses mesures préventives afin d'éviter que ne se développe la RAS dans les nouvelles structures de béton. Ces mesures incluent l'utilisation d'ajouts cimentaires ou l’utilisation d’adjuvant chimique à base de lithium. C’est en fait dès le début des années 50 que deux chercheurs ont démontrés que l'utilisation d’adjuvants chimiques à base de nitrate de lithium (LiNO3) tendait à diminuer efficacement l’expansion associée à cette réaction chimique nuisible (McCoy et Caldwell (1951)). Les mécanismes proposés permettant d’expliquer l’efficacité du lithium afin de contrer la RAS sont multiples. Selon Tremblay et al. (2010), certains ont été investigués davantage et certains sont plus probables que d’autres. Ce mémoire portera sur la présentation des différents indices pétrographiques de détérioration permettant d’expliquer l’efficacité du LiNO3 afin de contrer la RAS. Pour ce faire, des essais de laboratoire effectués sur des éprouvettes de béton ainsi que des barres de mortier contenant diverses concentrations en LiNO3 seront présentés. Les indices de détérioration obtenus, un mécanisme pourra être élaboré.

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.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le comportement des bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) dépend fortement de l’orientation des fibres vis-à-vis de la direction des sollicitations. L’orientation des fibres étant principalement due à la mise en oeuvre de la structure, la ductilité d’un ouvrage s’en retrouve fortement dépendant. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique est développé pour capturer l’effet de l’orientation des fibres via leurs mécanismes d’extraction. Il s’agit d’un modèle d’endommagement micromécanique, utilisé dans le cadre de la mécanique de la rupture linéaire élastique permettant de modéliser la propagation des fissures, la dissipation d’énergie et donc la ductilité de la structure. Cette approche permet également de rendre le modèle indépendant de la finesse du maillage et de modéliser l’effet d’échelle. Dans ce travail, les BFUP sont composés de fibres courtes en acier dont le pourcentage volumique est inférieur à 3%. La résistance en compression du BFUP est si grande que le matériau est admis être purement linéaire élastique en compression. Le modèle est implanté dans le logiciel Code_Aster pour calibration, validation et application sur des essais de traction et sur des essais de flexion quatre points : le modèle développé reproduit très bien ces résultats expérimentaux. / The behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) strongly depends on fibers’ orientations relatively to the direction of stresses. Fibers’ orientations are mostly due to concrete casting of the structure and therefore the ductility of a structure is highly dependent of those orientations. In this MSc thesis, a numerical model is developed to capture the effect of fiber orientation considering the fiber pull-out mechanism. A micromechanical damage model based on linear elastic fracture mechanics to model crack propagation, energy dissipation and thus structure’s ductility. This approach also corrects spurious mesh sensitivity and captures size effect. In this work, UHPFRC are made of short steel fibers with fiber content inferior to 3%. The compressive strength of UHPFRC is so important that the material is assumed to be purely linear elastic in compression. The model is implemented in Code_Aster software for calibration, validation and application on tensile tests and four-point bending tests : the developed model can reproduce these experimental results.

La modélisation de l’impact des différentes méthodes de réhabilitation, en fonction du temps d’initiation des dégradations, est le défi majeur dans le domaine de la durabilité des structures. La durabilité d’une structure est liée directement aux conditions d’exposition influencées par le climat et l’environnement où l’ouvrage est localisé. Selon le degré d’exposition, la vitesse de dégradation des structures peut alors s’accélérer ou être lente. Ce travail développe une étude approfondie sur l’exposition des structures en condition hivernales, qui comprend l’utilisation des sels de déglaçage. Une enquête a été réalisée pour connaître la quantité de sel utilisée au Québec et au Canada. En complément, les trois types de sel de déglaçage les plus utilisés ont été évalués afin de déterminer sa vitesse de progression dans un béton sous conditions hivernales sévères. Une station météorologique mobile MexStUL, munie des plusieurs capteurs de mesures temporelles, a été développé pour monitorer des conditions d’exposition dans deux sites expérimentaux soumis au climat hivernal rigoureux des années 2018/19. Il a été alors possible de prédire les facteurs climatiques (température, humidité, vitesse et direction des vents, ensoleillement et précipitations) et environnementaux (trafic, condition de route, concentration de sel sur la chaussée, aux éclaboussures et au brouillard salin) relatifs aux conditions d’exposition des structures. Des modèles ont été proposés afin de prédire l’exposition à travers du biais d’une station météorologique mobile ainsi que pouvoir évaluer l’influence spatiale de la concentration de sel de déglaçage. Un nouveau capteur a été développé, mesurant la concentration de brouillard salin sous condition hivernale sévère. Les résultats démontrent une importante variabilité spatiale de concentration pour l’exposition stagnante. Un modèle d’influence spatiale des éclaboussures a été proposé afin de délimiter ce type d’exposition. La concentration du brouillard salin pendant l’hiver montre une évolution importante et un modèle de concentration a été proposé et le volume de brouillard salin pendant l’hiver a pu être estimé. / Modeling the impact of the various rehabilitation methods, as a function of the initiation time of the damage, is the major challenge in the field of structural durability. The durability of a structure is directly linked to the exposure conditions influenced by the climate and the environment where the structure is located. Depending on the degree of exposure, the rate of degradation of structures can then accelerate or be slow. This work develops an in-depth study on the exposure of structures in winter conditions, which includes the use of de-icing salts. A survey was carried out to find out the amount of salt used in Quebec and Canada. In addition, the three most used types of de-icing salt were evaluated to determine its speed of progression in concrete under severe winter conditions. A mobile weather station MexStUL, designed with several sensors of temporal measures, has been developed to monitor exposure conditions in two different experimental sites on severe winter conditions during 2018/19. It was then possible to predict the climatic (temperature, humidity, speed and wind direction, sunshine and precipitation) and environmental factors (traffic, road condition, salt concentration on road, splashes and salt laden mist) relating to the conditions of exposure of the structures. Models were proposed to predict exposure condition using a meteorological station and evaluation of spatial influence of de-icing salt on different types of exposure as well. A new sensor has been developed, measuring the concentration of salt laden mist under severe winter conditions. Results demonstrate an important spatial variability on stagnant water. A model about spatial influence of brine splashes is proposed to delimit this type of exposure. Airborne concentration during winter climate shows an important evolution and a concentration model is proposed and the volume of salt laden mist is also determined during winter.