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

Le problème de la corrosion induite par les chlorures a toujours é té une question importante étudié e par les ingénieurs et les chercheurs au fil des ans. Dans les régions froides comme le Québec, la rigueur de l'hiver réduit la durabilité des structures : lorsque de l'eau contenant du sel de déglaçage entre en contact avec des structures en béton, cela entraîne une dé gradation progressive rapide du matériau en raison de la migration des chlorures dans le béton d'enrobage essentiellement par corrosion des aciers d'armature. Il est donc intéressant de bien comprendre les propriété s et les mécanismes de transport dans le béton, et de savoir comment la durabilité des structures est affecté e par ces différents processus de transport. De nombreux travaux de recherche étudient les différents mécanismes de transport à l'intérieur du béton, tant du point de vue numérique qu'expérimental. Cependant, des lacunes subsistent dans la construction du modèle numérique de transport pour représenter un béton en service sous sollicitation mécanique ainsi que dans le développement d'approches expérimentales, en particulier pour les nouvelles géné rations de bétons comme les bétons à ultra-hautes performances ou les bétons renforcé s de fibres à ultra-hautes performances (BUP/BFUP). L'objectif de cette thèse est d'étudier le transport multi-physique de différentes phases (eau liquide et vapeur) et espèces (sodium, chlorure, potassium, calcium, sulfate, etc.) dans les matériaux cimentaires traditionnels (CEM I-V) ainsi que les bétons à hautes performances (BUP&BFUP). A cette fin, plusieurs protocoles ou approches expérimentales innovantes ont été développé es et un modèle/logiciel de transport hygro-thermo-électrique multi-ionique couplé numériquement a été développé à deux dimensions (2D), soit pour mesurer les propriétés de transport du matériau étudié, soit pour simuler et pré dire le comportement de transport de ceux-ci. Tout d'abord, les tests de durabilité (test de diffusion thermique, test de séchage, test d'absorption capillaire) sur le béton traditionnel issus de la littérature ont été étudiés et sur la base de la procédure de calibration, un modèle de transport hygrothermique de l'eau (TransChlor2D) pour les matériaux en bé ton traditionnel a été établi. En particulier, ce nouveau modèle bidimensionnel a correctement pris en compte l'effet de succion capillaire de l'eau dans les structures en bé ton sec soumises à l'environnement humide. Ensuite, afin de mettre en œuvre le modèle sur les matériaux BUP/BFUP, un test isotherme de sorption de la vapeur d'eau (WVSI) a été réalisé. Grâce à la dernière technologie dynamique vapeur sorption (DVS), l'expérience a permis d'enregistrer le processus d'hystérésis de sorption dans de petits échantillons BUP/BFUP broyés. L'hystérésis de sorption a montré une forme triangulaire, ce qui est nouveau par rapport à l'isotherme de sorption des matériaux cimentaires traditionnels (pâte de ciment ou béton ordinaire). Une formule analytique a également été développée pour décrire les courbes isothermes d'adsorption et de désorption du BFUP. Enfin, le modèle TransChlor2D a été é tendu à un modèle multi-ionique, pour modéliser la pénétration de différentes espèces ioniques dans le béton, avec le couplage d'un potentiel électrique externe et des effets de fissuration. Le processus de transport couplé a été modélisé avec une équation de Nernst-Planck modifiée. Les effets de chargement considèrent l'influence des fissures ou des microfissures sur les diffusivités ioniques. Des tests de flexion ont été effectué s sur des poutres en BFUP pour générer des microfissures, qui ont été capturé es par une technologie de corrélation d'images numériques (DIC). Le matériau fissuré a ensuite été modélisé avec un algorithme de détection des dommages qui est ensuite intégré dans TransChlor2D. Les résultats de la simulation du transport multi-ionique dans des poutres BFUP endommagées ont montré que les microfissures développées en raison de la charge pourraient être un facteur crucial modifiant la résistance à la corrosion du matériau, et que les structures réelles présentant des fissures devraient être bien protégées pour éviter une détérioration rapide Le modèle/logiciel de transport multi-physique (TransChlor2D), développé dans cette recherche, peut être utilisé efficacement par les ingénieurs ou les gestionnaires de projets pour réaliser l'estimation de la durée de vie des structures. Les résultats prometteurs des simulations numériques ont prouvé que le modèle est très précis pour les prédictions au niveau de la structure. Les nouveaux résultats des expériences ont également révélé certaines propriétés de transport uniques du BUP/BFUP qui diffèrent des matériaux en béton traditionnels, et les protocoles proposé s peuvent être particulièrement utiles pour les futures études de durabilité du BUP/BFUP. / Chloride induced corrosion problem has always been an important issue studied by engineers and researchers over years. In cold regions like Québec, the winter severity degrades structures' durability: when water containing de-icing salt is in contact with concrete members, it will lead to a fast-progressive degradation of the material as a result of chloride migration in the concrete cover that corrodes reinforcement steel bar. Therefore, it is a topic of interest to have a clear understanding of the concrete material's transport properties and mechanisms, and how structure's durability is affected by these transport processes. Numerous research investigate the different transport mechanisms inside concrete materials, from both numerical and experimental perspectives. However, the gap remains in building the numerical transport model to represent concrete structures in service state with mechanical solicitation as well as in developing experimental approaches, particularly for new generations of concretes like Ultra-High-Performance Concrete or Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPC/UHPFRC) The objective of this thesis is to study multi-physics transport of different phases (liquid and vapor water) and species (sodium, chloride, potassium, calcium, sulfate, etc.) in both traditional cement materials (CEM I-V) and high performance concretes (UHPC&UHPFRC). To this end, several innovative experimental protocols or approaches have been developed and a numerically coupled multi-ionic hygro-thermo-electrical transport model/software has been developed in two dimensions, either to measure the transport properties of the studied material or to simulate and predict the transport behavior of them. Firstly, the durability tests (thermal diffusion test, drying test, capillary absorption test) on traditional concrete form the literature were studied and based upon the calibration procedure, a hygro-thermal water transport model (TransChlor2D) for traditional concrete materials was established. Particularly, this new two-dimensional model correctly considered the water capillary suction effect in dry concrete structures. Then, in order to implement the model on UHPC/UHPFRC materials, a water vapor sorption isotherm test (WVSI) was carried out. With the latest DVS technology, the experiment recorded the sorption hysteresis process in small crushed UHPC/UHPFRC samples. The sorption hysteresis showed a triangular shape, which was novel compared to the sorption isotherm of traditional cement materials (cement paste or regular concrete). An analytical formula was also developed to describe the adsorption and desorption isotherm curves of UHPFRC. Finally, TransChlor2D model was extended into a multi-ionic model, to model the penetration of different ionic species in concrete, with the coupling of an external electric potential and loading effects. The coupled transport process was modeled with a modified Nernst-Planck equation. The loading effects was considered as the influence of cracks or microcracks on ionic diffusivities. Bending tests were carried out on UHPFRC beams to generate microcracks, which was captured by a Digital Image Correlation technology. The cracked material was then modeled with damage detection algorithm integrated in TransChlor2D. The simulation results of multi-ionic transport in damaged UHPFRC beams showed that the microcracks developed due to loading could be a crucial factor changing material's corrosion resistance, and real structures with cracks should be well protected to avoid fast deterioration. The multi-physics transport model/software (TransChlor2D) developed and validated in this study may be effectively useful for engineers or project managers to perform structure service life estimation. The promising results from numerical simulations proved it to be significantly accurate for structural level predictions. The new findings from the experiments also revealed some unique transport properties of UHPC/UHPFRC that differs from the traditional concrete materials, and the proposed protocols can be especially useful for future durability study on UHPC/UHPFRC.

Ce mémoire est consacré à l’étude du comportement des bétons projetés en condition de mouvement libre et restreint. Il traite de la problématique de fissuration des bétons de réparation et globalement, s’attaque à la durée de vie des ouvrages en béton. Les bétons de réparation développent d’importantes contraintes de traction internes lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations hydriques de séchage. Si aucune attention n’y est portée, cet accroissement de contraintes internes peut mener à la fissuration de l’élément. C’est pour évaluer le potentiel de fissuration des bétons projetés que ce projet propose une adaptation de la méthode d’essai de l’anneau de retrait restreint AASHTO PP34-99. En premier lieu, le mémoire aborde l’état des connaissances actuelles nécessaires à la compréhension de cette étude. Il est question des principaux phénomènes à l’origine des changements volumétriques et de la méthode d’essai utilisée. Ensuite, une étude d’adaptation et de validation de l’essai est présentée, suivie de l’évaluation de plusieurs leviers influant sur le bilan des déformations des bétons projetés. Finalement, par des simulations de réparation en laboratoire, on tente de confirmer le rôle essentiel de certains paramètres de conception des mélanges. / This project was carried out at Laval University and aim to measure volume changes in shotcrete. Premature repair work deterioration has become a major focus in the last two decades. This study was undertaken to ensure an improvement in the shotcrete repair work in order to avoid the most common concrete pathology, cracking. The performance of a repaired concrete structure, and thus its service life, depends on the quality of the composite (the repair material) and the existing substrate. When subjected to drying, the restrained composite undergoes significant internal stress increase that couldin many casesleads to the development of tensile cracks. This study validates the use of the restrained ring test AASHTO PP34-99 to evaluate the sensitivity to cracking of shotcrete repair materials. The document is divided into several sections. In the first place, an introduction of the volume changes in concrete brings the basic language and knowledge necessary to understand this study. Secondly, there is a discussion on the proposed modified method (and its validation) used to produce reliable test results. Following this, many concrete mixtures are tested in order to evaluate the major factors affecting crack sensitivity of shotcrete materials where half of them are tested in a so-called real repair work.

Le béton figure parmi les matériaux de construction les plus polluants compte tenu du grand volume utilisé chaque année. La production du ciment portland, l'ingrédient clé du béton, est très énergivore et le procédé de décarbonatation génère de grandes quantités de CO2. L'industrie du ciment est responsable d'environ 5 à 7% des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, la recherche de nouveaux liants pour la fabrication de bétons verts et durables est un domaine en constante expansion. L'objectif est de développer et proposer des alternatives à l'industrie. Les ciments composés (ciment + ajouts cimentaires alternatifs) et les liants de nouvelle génération appelés "géopolymères" représentent deux alternatives intéressantes. Toutefois, il est important d'évaluer leur comportement en durabilité pour que ces matériaux soient acceptés. Ce projet de recherche s'intéresse donc à l'évaluation du comportement en durabilité de ces deux alternatives. La performance en durabilité de la poudre de verre mixte (PV) et d'une cendre volante de biomasse (CVK) contre l'alcali-réaction (RAG) a ainsi été évaluée par l'entremise d'essais d'expansion sur mortier (CSA A23.2-25A) et sur béton (CSA A23.2-14A) pour des niveaux de remplacement du ciment portland de 20% et 30%. Les résultats obtenus à ce jour montrent qu'à 20% et 30% de remplacement du ciment, ces deux ajouts cimentaires alternatifs ne rencontrent pas les exigences normatives à ce qui a trait à leur utilisation comme mesure préventive appropriée contre la RAG. La performance des géopolymères a également été évaluée dans le but de se familiariser avec les différents paramètres de synthèse, mais aussi afin de déterminer la viabilité de ces systèmes en durabilité, plus précisément contre la RAG. Les résultats sur mortier et sur béton démontrent que la nature du matériau "source", la température et la durée de cure, le temps de malaxage, la nature et la concentration de la solution d'activation, ainsi que la présence d'humidité sont les paramètres qui ont le plus d'influence sur le développement des résistances mécaniques des géopolymères. Les résultats d'essai d'expansion face à l'alcali-réaction sont très variables et aucune tendance n'a été observée sur mortier, tandis que les résultats sur béton montrent une expansion excessive à long terme.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Dans la région de Trois-Rivières au Québec, environ 4 000 édifices résidentiels et commerciaux ont développé d'importants indices d'endommagement associés à la présence de sulfures de fer (notamment de la pyrrhotite et de la pyrite) dans les particules du gros granulat utilisé dans la fabrication du béton. Cette détérioration est due à l'oxydation des sulfures de fer en particulier la pyrrhotite qui génèrent des nouveaux produits plus volumineux. Ces derniers entraînent le gonflement, la fissuration et même la désagrégation progressive du béton. Ce projet consiste à étudier une série d'échantillons de granulats à des teneurs en soufre total (S$_\textup{T}$) contrôlées pour apprécier l'impact de la proportion des sulfures de fer et tenter d'établir, par l'entremise de l'essai de consommation d'oxygène et de l'essai d'expansion sur barres de mortier, un seuil critique au-delà duquel la durabilité des infrastructures pourra potentiellement être affectée pour le granulat étudié. Des analyses chimiques ont été réalisées pour quantifier les quantités de S$_\textup{T}$ des échantillons provenant de la carrière Maskimo (MSK 0,2 et MSK 0,8) et sur le granulat de référence PKA (granulat non réactif). Ces granulats ont été mélangés par la suite jusqu'à produire des échantillons à différentes concentrations de ST (0,10 %, 0,15 %, 0,25 %, 0,50 % et 0,75 %). Le comportement nuisible potentiel de ces mélanges a ensuite été évalué par l'entremise de l'essai d'expansion sur barres de mortier et l'essai de consommation d'oxygène. L'essai de consommation d'oxygène permet 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 fin compacté afin de déterminer son potentiel d'oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d'oxydation des granulats dans cet essai comprennent une taille de particules inférieure à 150 μm (50 % 0-75 μm et 50 % 75-150 μm), une saturation de 40 %, une couche de 10 cm d'épaisseur de granulats compactés et un dégagement de 10 cm dans la partie supérieure du cylindre. La durée est de trois heures après un temps de stabilisation de 30 minutes, le tout à 22 °C. L'essai d'expansion sur barres de mortier permet de suivre l'expansion des barres fabriquées avec les granulats à différentes concentrations en S$_\textup{T}$. L'essai consiste en un conditionnement de 90 jours à 80 °C/80 % humidité relative, avec deux cycles de mouillage/séchage par semaine ; un cycle de mouillage de trois heures dans une solution d'eau de javel à 6 %, et un cycle de séchage de trois jours (Phase I), suivi d'une période pouvant atteindre 90 jours et plus de conditionnement à 4 °C/100 % humidité relative (HR) (Phase II). Les deux périodes (3 heures) hebdomadaires de trempages en solution d'eau de javel à 6 % sont maintenues durant la deuxième phase de l'essai. Une analyse pétrographique (méthode de la calculette) et une analyse chimique semi-quantitative (microfluorescence-X) ont été effectuées sur des plaques polies fabriquées à partir des granulats provenant de la carrière Maskimo et de la carrière PKA pour distinguer et quantifier les sulfures de fer présents dans les particules du gros granulat. Les résultats des travaux effectués ont montré que la teneur en S$_\textup{T}$ contribue à l'augmentation du potentiel d'oxydation des mélanges testés mais elle n'explique pas à elle seule le phénomène de détérioration. La teneur en pyrrhotite est largement responsable du comportement problématique des granulats MSK étudiés. L'essai de consommation d'oxygène et l'essai d'expansion sur barres de mortier ont la capacité de refléter l'impact de la proportion des sulfures de fer, notamment la pyrrhotite, sur la détérioration du béton. Cependant, selon les travaux réalisés dans le cadre de cette étude, ces essais ne permettent pas pour le moment de déterminer précisément les teneurs seuils en pyrrhotite qu'il ne faut pas dépasser dans les granulats à béton. Une étude plus approfondie devra être effectuée sur une plus grande variété d'échantillons. Finalement, la méthode de μXRF permet de déterminer les quantités de sulfures de fer présents dans les granulats testés, même ceux qui ont une faible teneur. Par contre, la méthode pétrographique de la calculette n'a pas permis une quantification fiable des proportions des différents sulfures de fer présents dans les granulats étudiés et reste toujours subjective car elle dépend de l'expérience du pétrographe qui fait les identifications et estime visuellement les teneurs en sulfures.