Le retrait du béton ne peut généralement se manifester librement et puisqu’il existe de multiples éléments de restriction dans les ouvrages neufs et réparés, les efforts induits peuvent conduire à la fissuration du béton. Les conséquences de la fissuration due au retrait restreint des ouvrages en béton sont multiples, telles qu’une détérioration précoce par la migration facilitée des agents agressifs et une augmentation des coûts de maintenance. Un moyen de mitiger la fissuration due au retrait gêné est d’utiliser des liants ou agents expansifs afin de fabriquer des bétons à retrait compensé (BRC). De nouvelles méthodes de caractérisation volumétrique des bétons à retrait compensé ont été développées. Une procédure d’essai annulaire inspirée d’une procédure normalisée de retrait restreint (AASHTO T334) a été mise au point. Au lieu d’avoir un anneau restrictif gênant au cœur la contraction d’une éprouvette annulaire en béton, l’anneau restrictif est externe afin de restreindre exclusivement le gonflement des bétons expansifs. Deux méthodes d’essai de retrait libre complémentaires ont de plus été développées. Trois types d’agents expansifs ont été étudiés, à différents dosages: un à base de sulfoaluminate de calcium (type K), un deuxième à base de CaO (type G) et un dernier à base de MgO (appelé type MgO). Certaines formulations ont intégré un adjuvant réducteur de retrait (ARR). Les mélanges de bétons ont été préparés à deux rapports E/L, 0,40 et 0,50. Les résultats obtenus montrent que l’essai annulaire d’expansion gênée permet de bien capturer l’évolution du comportement volumétrique des bétons à retrait compensé en phase d’expansion et de retrait, jusqu’à l’obtention d’un bilan déformationnel nul. À partir des résultats obtenus, il a été observé que le comportement volumétrique des BRC en phase de mûrissement et de séchage est influencé par le dosage et le type d’agent expansif, de même que par le rapport E/L. / Shrinkage of concrete cannot usually occur freely, and because there are multiple sources of restraint in both new and repaired infrastructures, stresses are induced and can eventually lead to cracking. The consequences of concrete cracking due to restrained shrinkage are potentially harmful, notably by facilitating the migration of aggressive agents. One way to mitigate cracking due to restrained shrinkage is the use of expansive binders or components in order to make shrinkage compensating concretes. New methods for characterizing the volumetric behaviour of shrinkage compensating concretes have been developed. A testing method inspired of an existing restrained shrinkage ring test procedure (AASHTO T334) has been developed. Instead of having an inner ring restraining the shrinkage of a concrete annulus, the restrictive ring is external, thus restraining the swelling of the expansive material. Moreover, two complementary free shrinkage testing methods have been developed. Three expansive systems have been studied, at different rates of addition: a calcium sulfoaluminate-based expansive system, a CaO-based expansive system, and a MgO-based expansive system. Some formulations have integrated a shrinkage reducing agent. The mixtures were prepared for two w/cm values, 0.40 and 0.50. The experimental data show that the expansion restraint ring test can capture adequately the volumetric behaviour of ShCC’s in the expansive and shrinkage phases, up to the point of “zero net strain”. From the test results, it could be concluded that the volumetric behaviour of ShCC’s in both the curing and drying phases is influenced by the dosage and type of expansive component, as well as the w/cm value.

352711\u La fissuration causée par le retrait de séchage est une problématique importante dans un contexte de réparation d’ouvrage en bétonarmé. Pour les bétons de ciment, il s’agit d’un phénomène inévitable qui peut diminuer de façon importante la durée de vie des réparations. Les bétons à retrait compensés (BRC) permettent, avec une cure humide adéquate, de pallier cette difficulté en compensant les efforts engendrés lors de la contraction du matériau par une expansion précoce de l’élément de béton. Cette étude vise à évaluer l’effet d’une restriction déformationnelle sur l’efficacité des BRC à contrer les effets du retrait de séchage. Plus précisément, il s’agit de restreindre les déformations des BRC selon quatre niveaux de renforcementet d’étudier leur comportement déformationnel dans le temps. Ainsi, six mélanges de béton prêt à l’emploi ont été préparés à partir de trois types d’agents expansifs, un Type K, un Type G ainsi qu’un troisième à base d’oxyde de magnésium (MgO) ; tous les mélanges ont un rapport E/L de 0,50.Ces mélanges ont été élaborés de façon à pouvoir atteindre trois objectifs distincts. Le premier objectif est d’étudier le comportement déformationnel des BRC en conditions restreintes, notamment de quantifier les effets du fluage en compression créé par la restriction lors de l’expansion du béton. Le deuxième objectif est de vérifier quelles sont les déformations subies par les BRC avant même le démoulage afin d’établir s’il est pénalisant de n’amorcer la prise de mesure qu’à la fin de démoulage comme le propose actuellement les essais normalisés. Le troisième objectif vise à enrichir les abaques de l’ACI 223R-10 qui permettent de prédire les déformations d’un élément de béton selon le niveau de renforcement et les résultats obtenus suivant l’essai ASTM C878. Les principales conclusions de l’étude montrent que le fluage en compression des BRC est plus important dans les premiers jours lorsque l’expansion est intense et rapide alors qu’il est de plus faible ampleur lorsque l’expansion est plus lente et d’intensité plus faible. Les mesures déformationnelles débutant lors de contact eau-ciment jusqu’au démoulage, obtenues à l’aide de jauges résistives fixées aux barres d’armature, montrent que les déformations observées durant les premières heures sont faibles comparativement aux expansions maximales observées à la fin de la cure humide. Les abaques ont donc été revisités pour tenir compte du type et du dosage en agent expansif. Les abaques obtenus indiquent que le comportement déformationnel dépend à la fois du type et du dosage d’agent expansif.

La fissuration par retrait plastique (FRP) est l'une des premières formes de fissuration pouvant apparaître dans le béton. Les fissures formées à la surface sont assez inesthétiques et peuvent entraîner de futurs problèmes de durabilité. Les éléments en béton frais avec de grandes surfaces exposées sont particulièrement vulnérables à ce phénomène. La FRP est causée à la fois par des facteurs internes et externes. Les agents externes peuvent être principalement attribués aux expositions environnementales qui contrôlent l'évaporation de l'humidité du béton, et les agents internes sont ceux qui sont associés au mélange de béton, telles que le rapport eau/ciment, la teneur en pâte, les types d'adjuvants, etc. Le moment de l'initiation des mesures de durcissement est un facteur vital dans la prévention et le contrôle des FRP, mais il est souvent négligé en raison du manque de connaissances fondamentales sur ce phénomène. En fait, lorsqu'il s'agit d'activités de cure du béton, la durée reçoit plus d'attention que le moment du début. À cet égard, l'objectif principal de ce projet de recherche est d'évaluer les effets simultanés des expositions environnementales et du moment de l'initiation des activités de cure dans l'apparition de FRP du béton fraîchement coulé. Par la suite, le nouveau concept de délai maximal autorisé avant les mesures de cure, qui est fonction des propriétés du mélange et des conditions d'exposition, a été défini et évalué pour un mélange de béton exposé à différentes conditions environnementales. De plus, le temps et l'ampleur des FRP, l'évaporation, le ressuage et les temps de prise du béton, etc. ont été étudiés afin d'approfondir les analyses du comportement des FRP. Les résultats de ce programme de recherche permettent non seulement de mieux comprendre la fissuration par retrait plastique du béton soumis à différentes conditions d'exposition, mais aussi d'attirer l'attention sur l'impact du début opportun des mesures de cure sur l'atténuation de ce type de fissures. / Plastic shrinkage cracking (PShC) is one of the earliest forms of cracking that can appear in concrete. The cracks formed on the surface are quite unsightly and can lead to future durability issues. Fresh concrete elements with large, exposed surfaces are especially vulnerable to this phenomenon. PShC is caused by both internal and external factors. The external factors can be mainly ascribed to environmental exposures that control evaporation of moisture from fresh concrete, and internal factors are those associated with the concrete mixture, such as water to cement ratio, paste content, admixture types, etc. The time of initiation of curing measures is a vital factor in the prevention and control of PShC, however it is often overlooked due to the lack of fundamental knowledge on this phenomenon. In fact, when it comes to curing activities, duration gets more attention than the time of beginning. In this regard, the main objective of this research project is to assess the simultaneous effects of environmental exposures and the time of initiation of curing activities in the occurrence of PShC of freshly poured concrete. Subsequently, the new concept of maximum allowed delay before curing (MADBEC), which is a function of mix design and exposure conditions, has been defined and assessed for a concrete mixture exposed to different environmental conditions. In addition to this, PShC time and magnitude, evaporation, bleeding, and setting times of concrete, etc. have been investigated, so as to further analyses of PShC behaviour. The outcomes of this research program not only provide a better insight into PShC of concrete facing different exposure conditions, but it definitely draws more attention toward the impact of timely beginning of curing measures on the mitigation of this type of cracking.

Dans l'étude du comportement du béton au jeune âge dans les structures massives, les retraits endogène et thermique apparaissent comme des phénomènes majeurs, qui sont responsables du fluage lorsque le retrait est empêché. La réaction chimique du ciment avec l'eau est exothermique et thermo-activée, ce qui induit des déformations de dilatation puis de contraction. La chaleur d'hydratation peut créer des déformations différentielles entre la peau et le cœur d'une structure, ceci peut causer des fissurations traversantes au jeune âge. Dans ce contexte, cette thèse est dédiée à l'étude du comportement visco-élastique du béton au jeune âge dans les structures massives. L'idée est de développer un modèle numérique qui décrive le comportement visco-élastique du béton au jeune âge, et qui permette de prédire les contraintes au jeune âge et le risque de fissuration.. Une méthode d'identification des paramètres du modèle est proposée à partir d'essais simples développés au laboratoire et sur chantier. Une validation sera réalisée par confrontation à des essais réalisés. Enfin le modèle développé est appliqué à des simulations sur des structures réelles, qui sont confrontées aux mesures de température et de déformations réalisées sur site.

Le but principal du projet était de relier le cambrement et l'ouverture des joints avec les résultats de l’essai de retrait de séchage normalisé ASTM C157. Afin d'atteindre cet objectif, 12 dalles ont été construites à l'aide de 8 différents mélanges de béton. Les variables principales de l'étude étaient le type et la quantité d'armature de même que l'utilisation d'un agent réducteur de retrait (ARR). Différents phénomènes ont fait l’objet d’un suivi élaboré, dont le cambrement, l'ouverture des joints, le fluage et le retrait. Les résultats obtenus ont clairement démontré les avantages reliés à l'utilisation d'un agent réducteur de retrait. L'étude a également prouvé l'efficacité de certaines fibres dans l'atténuation des effets reliés au retrait de séchage. La vaste base de données sur le cambrement et l'ouverture des joints produite au cours de cette recherche sera employée pour valider et calibrer des modèles prédictifs et aidera l'industrie du béton à raffiner les règles de conception pour l'espacement des joints. / The primary goal of this project was to relate curling and joint opening with ASTM C157 drying shrinkage measurements. In order to achieve this objective, 12 slabs were built with 8 different concrete mixtures. The main variables of the study were the type and amount of reinforcement and the use of a shrinkage-reducing admixture (SRA). Different phenomena were monitored, in particular curling, joint movements, creep and shrinkage. The advantages of using a shrinkage-reducing admixture (SRA) in ordinary concrete slabs are clearly demonstrated through the results obtained in this investigation. The study also shows the effectiveness of some fiber reinforcement systems in counteracting the detrimental effects of drying shrinkage. The large database on curling and joint opening produced in this investigation will be used to validate and calibrate predictive models in development, and will help the concrete industry to refine design rules for joint spacing.

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 étude a pour but de compléter et d'améliorer les connaissances reliées à l'expansion du béton générée par la réaction alcalis-silice (RAS). Elle est divisée en deux volets : l'expansion atteinte et l'expansion résiduelle. Dans le cadre du premier volet de recherche, deux essais sont évalués afin de vérifier leur potentiel pour déterminer l'expansion atteinte à ce jour d'un béton affecté de RAS. L'indice d'endommagement interne (DRI) présente d'excellentes relations et permet d'estimer l'expansion du béton de façon assez fiable, et ce, même pour l'expansion due au gel/dégel. La présence ou non d'un entraîneur d'air dans le béton fait grandement varier les résultats. Les essais de chargement cyclique (SDT) n'ont malheureusement pas été effectués et les résultats suivront dans une publication scientifique ultérieure. Dans le cadre du deuxième volet de recherche, l'influence de plusieurs paramètres est évaluée au cours de l'essai d'expansion accélérée. Ces paramètres sont : le rapport eau/ciment du béton, l'état de la surface des éprouvettes (moulée vs. forée), le rapport volumique air/béton dans les contenants, le diamètre des éprouvettes, les mesures de protection contre le lessivage, la durée de mûrissement, ainsi que la nature des alcalis. Le rapport volumique air/béton dans les contenants a une influence majeure sur les résultats d'essais : plus il est élevé, plus le lessivage est important et plus l'expansion est faible. Le diamètre des éprouvettes testées (ou leur surface spécifique, inversement proportionnelle au diamètre), est aussi un paramètre très influent : plus le diamètre est faible, plus le lessivage est important et plus l'expansion est faible. Aucune mesure de protection contre le lessivage ne permet une expansion ultime aussi élevée que celle des éprouvettes non protégées, même si elles réduisent le lessivage. Il semble qu'il y ait un seuil critique de lessivage, aux alentours de 20%, au-delà duquel la courbe d'expansion des éprouvettes plafonne.

Ce mémoire est consacré à l’étude des méthodes de cure et leurs impacts sur le retrait et la fissuration du béton projeté. Plus globalement, cette recherche traite de la problématique de la fissuration des réparations en béton. Généralement, les réparations en béton projeté génèrent rapidement de grandes surfaces de béton frais. Si elles sont mal protégées, les sollicitations liées au séchage peuvent mener à l’échec de la réparation. Une méthode de cure adéquate permet de prévenir la fissuration et d’augmenter la durabilité de la réparation. Beaucoup reste à faire en ce qui concerne les techniques de cure et de protection afin de déterminer celles qui fonctionnent vraiment. Afin d’évaluer l’apport bénéfique de différentes méthodes de cure sur le béton projeté, une méthode de mesure du retrait a été développée. Cette étape permet de combler l’absence de norme ou de méthode permettant aujourd’hui de mesurer le retrait du béton projeté et de quantifier en même temps l’impact bénéfique des méthodes de cure. Avec cette méthode, les différents produits de cure externe suivants ont été évalués et classés du plus efficace au moins efficace : un agent de cure et de scellement liquide semblable à ceux à base de solvant, un agent de cure et de scellement liquide à base d’eau, un retardateur d’évaporation et enfin, le moins efficace, un agent de cure liquide à membrane à base de résine. Par la suite, des produits de cure interne ont été testés avec la méthode de mesure développée. Les produits testés sont une fibre synthétique et une fibre de chanvre. La fibre synthétique apporte un bénéfice dès la mise en place. La fibre de chanvre semble avoir apporté des améliorations notables plus importantes vis-à-vis du retrait du béton à long terme. Finalement, une technique de cure fréquemment utilisée en chantier (jute humide et polythène) a été évaluée. Les résultats des essais de type chantier sont peu concluants et ne permettent pas d’apprécier l’apport bénéfique des paramètres testés en raison des particularités de la méthode de mesure. En conclusion, ce projet a rempli sa mission quant à la détermination des bénéfices des méthodes de cure sur le béton projeté. Il ouvre également la voie à de nombreuses applications et possibilités futures jusqu’alors non envisageable pour le béton projeté grâce à la méthode de mesure développée. / This thesis is devoted to the study of curing methods and their impacts on the shrinkage and cracking of shotcrete. More generally, this research deals with the problem of cracking of concrete repairs. Generally, shotcrete repairs quickly generate large areas of fresh concrete. If poorly protected, drying stress can lead to the failure of the repair. Curing methods prevent cracking and increase the durability of concrete repair. Much remains to be done with regard to cure and protection techniques to determine what really works. In order to evaluate the beneficial contribution of curing methods on shotcrete, a shrinkage measurement method is developed. This step makes it possible to fill the gap in the standards or methods used today to measure the shrinkage of shotcrete and at the same time to quantify the beneficial impact of curing methods on shrinkage. This method allows to start measuring shrinkage only 4 hours after placement. With this method, the following different external curing products are evaluated and classified from the most effective to the least effective : a solvent based liquid curing and sealing agent, a water-based liquid curing and sealing agent, an evaporation retarder and finally, the least effective, a resin-based membrane liquid curing agent. The solvent-based liquid curing and sealing agent provided the best results. Then internal curing products are tested with the developed measurement method. The products tested are synthetic fibre and a hemp fibre. Synthetic fibre brings an benefits as soon as the concrete is placed. Hemp fibre seems to have made more significant improvements in concrete shrinkage in the long term. Finally, a curing technique frequently used on site is evaluated. The results of this test are inconclusive and do not allow to assess the beneficial contribution of the tested parameters due to the particularities of the measurement method. In conclusion, this project fulfilled its mission to determine the beneficial effects of curing methods on shotcrete. It opens the way for many future applications and possibilities that were not previously possible for thanks to the measurement method developed.

La théorie des milieux poreux réactifs fermés est explorée pour modéliser le comportement au jeune âge des bétons pour des couplages chimio-poro-visco-élastiques. Le modèle est construit autour de l'hypothèse que la dépression capillaire est le principal mécanisme responsable du retrait d'autodessiccation (Hua et al. 1995). Ce retrait correspond à la réponse viscoélastique de la matrice solide vieillissante du milieu poreux sous l'action d'une contrainte de compression induite par la condensation capillaire. L'apparition d'une déformation de gonflement dans les premières heures qui suivent la prise du matériau ne peut être expliquée par un phénomène de dessiccation, car l'humidité relative décroît au fur et à mesure de l'évolution de la réaction d'hydratation. Les déformations endogènes (déformations libres du matériau en conditions isothermes, sans chargement extérieur et sans échange hydrique avec l'extérieur) sont donc définies comme la somme d'un gonflement chimique macroscopique dû à la réaction d'hydratation et d'un retrait d'autodessiccation. L'approche chimio-poro-visco-élastique développée dans cette étude pour analyser le comportement au jeune âge des bétons a plusieurs objectifs. Premièrement, une modélisation basée sur une approche de la mécanique des milieux poreux permet d'avoir une base rigoureuse à la compréhension des mécanismes qui ont une influence sur les déformations différées observées à l'échelle macroscopique. Le deuxième objectif consiste en la mise en place d'un outil qui fournit les bases nécessaires à une meilleure compréhension de l'influence de la composition du matériau sur le comportement au jeune âge des bétons. Ce rapport est divisé en quatre parties dont les deux premières font état des connaissances publiées dans la littérature scientifique qui permettront d'arriver à une modélisation basée sur une approche multi-échelles du problème. Les conditions de retrait restreint sont développées dans la troisième partie afin de montrer comment un essai R2D2 peut être analysé en vue d'une modélisation du comportement au jeune âge. La quatrième décrit les bases théoriques du modèle ainsi que l'identification des paramètres de ce dernier. Le rapport finit par une application de l'approche pour étudier l'influence du ciment et du rapport E/C sur le comportement au jeune âge des bétons.