Ce mémoire de maîtrise présente les résultats de l’évaluation de l’endommagement d’une série de 35 éprouvettes de béton préalablement testés pour la réaction alcalis-silice (RAS) lors d’essais sur prismes de béton effectués dans le cadre du projet norvégien COIN. Ces prismes, confectionnés avec une variété de granulats réactifs et de matériaux cimentaires, ont été testés dans différentes conditions de laboratoire conformément à plusieurs normes d’essais utilisés en Amérique du Nord et en Europe. Pour évaluer l’endommagement du béton, une méthode pétrographique de quantification de l’endommagement du béton a été utilisée, soit le Damage Rating Index (DRI). Lors de cet essai, un pétrographe comptabilise les indices d’endommagement à l’aide d’un stéréomicroscope (grossissement 15x) sur une plaque de béton polie, afin d’en identifier le nombre DRI. Cet essai est de plus en plus utilisé en Amérique du Nord; cependant, aucune procédure d’essai normalisée n’est encore disponible. Les objectifs de cette étude étaient 1), d’évaluer la répétabilité attribuable au même opérateur, 2), d’évaluer l’applicabilité du DRI à l’analyse spatiale de l’endommagement d’un même spécimen, 3), de valider si la méthode est efficace pour des bétons incorporant des ajouts cimentaires et 4), de confirmer si des indices pétrographiques attribuables à la RAS peuvent être observés à l’échelle du DRI sur des spécimens ayant atteint une expansion près de la limite de 0.040% ou moins. La variabilité attribuable au même opérateur a été déterminée par ANOVA à l’aide d’un logiciel de statistique permettant d’analyser la variance dite «ponctuelle» à l’échelle d’un cm². Les résultats ainsi obtenus démontre que l’expérience de l’opérateur influence grandement la variabilité des résultats de l’essai, alors qu’une certaine expérience est requise pour obtenir une constance raisonable dans la réalisation de l’essai. Cela dit, une certaine variabilité demeure toujours présente, puisqu’un coefficient de variation ponctuel très élevé allant de 61.0 à 120.4% a été obtenu pour un opérateur expérimenté. Cette variabilité est directement reliée à l’endommagement du spécimen, i.e. pour un endommagement plus élevé, une variabilité (relative) plus faible est obtenue. En utilisant la théorie de l’échantillonage, une équation permettant d’évaluer la marge d’erreur (seuil de confiance de 95%) correspondant à l’incertitude intrumentale sur un nombre DRI obtenu par l’opérateur de cette étude sur un certain nombre de cm² a été obtenue. Bien que les coefficients de variation ponctuels obtenus soient très élevés, l’incertitude d’un même opérateur à l’échelle d’une surface suffisamment grande (± 200 cm²) est de ≈11% (dépendant du niveau d’endommagement), ce qui est comparable à l’incertitude liée la répétabilité (intra-laboratoire) mesurée pour plusieurs autres essais fréquemment utilisés tels que l’ASTM C457 (≈16%) ou l’ancienne RILEM AAR-3 (≈16-23%). Trois méthodes d’analyse spatiale de l’endommagement à partir du DRI ont été développées lors de cette étude, soit 1), l’évaluation du profil d’endommagement du béton par l’entremise de groupe de lignes (i.e. peau vs cœur selon l’axe longitudinal de l’éprouvette); 2), l’évaluation du profil d’endommagement du béton par l’entremise de zones d’égale dimension (e.g. 50 cm²) situées d’une extrémité à l’autre de l’éprouvette (sommet vers la base); 3), une carte d’intensité de l’endommagement (DRI damage map) permettant une appréciation qualitative/visuelle de la variabilité de l’endommagement sur la surface entière de l’éprouvette. Les résultats obtenus démontrent que le DRI est assez sensible pour permettre l’analyse spatiale de l’endommagement pour un même spécimen si les variations d’endommagement locales sont présentes sur une surface suffisamment grande, c’est-à-dire ± 50 cm². Cependant, le DRI damage map est considéré comme l’outil le moins fiable. L’analyse spatiale de l’endommagement des prismes de béton suggère que certains mélanges cimentaires ou certaines conditions de laboratoire (e.g. lessivage des alcalis ou enveloppement des éprouvettes dans un tissu préalablement trempé dans une solution alcaline) peuvent générer différents patrons de fissuration à l’intérieur du prisme. L’examen visuel par la méthode du DRI de prismes de béton manufacturés à partir de mélanges cimentaires différents (avec et sans ajouts cimentaires) ayant une expansion similaire a démontré qu’un niveau d’endommagement non négligeable peut parfois être observé dans des bétons incorporant des ajouts cimentaires mais relativement peu affectées par la RAS. Ces valeurs de DRI plus élevées sont entièrement causées par la présence de fines fissures dans le pâte de ciment. Il est suggéré que ces fissures résultent d’un autre mécanisme d’endommagement, tel que le retrait, et/ou que l’augmentation du contraste de couleur entre la pâte de ciment et ces fissures permet à l’opérateur de plus facilement les distinguer. Ce type de fissures a en effet été identifié principalement pour des bétons incorporant du laitier de hauts-fourneaux alors qu’elles ne furent pas observées pour les bétons fabriqués avec des cendres volantes. L’examen pétrographique des prismes ayant subi une expansion entre 0.022 et 0.041% a démontré que plusieurs indices pétrographiques reliés à la RAS peuvent être observés à l’aide d’un stéréomicroscope à l’échelle du DRI (grossissement de 15x), et ce même à ce niveau d’expansion. De plus, certains indices d’endommagement attribuables à la RAS, tels que les fissures ouvertes dans les particules de granulat avec produits de réaction et les fissures dans la pâte de ciment avec produits de réaction,ont pu être observés à quelques reprises sur ces bétons faiblement endommagés. Cela mène à la conclusion que la RAS peut bel et bien être diagnostiquée lors de l’examen visuel d’une plaque de béton polie à l’échelle du DRI, et ce à une expansion aussi faible que 0.022%. / This MSc dissertation provides the results of quantitative damage assessments, using the Damage Rating Index (DRI) method and petrographic examination, of 35 concrete prisms that were manufactured with different aggregates and binders as well as being exposed to different testing conditions through the Norwegian COIN project. Visual examination of the test prisms was conducted with a stereomicroscope at a ≈15x magnification along with damage assessment through DRI. The objectives of the study were 1) to appraise the single operator variability of the DRI method, 2) appraise the “sensivity” of the method to apply damage spatial analysis within the same specimen,3) validate whether the method is suited for the damage assessment in concrete incorporating SCMs and 4) confirm whether petrographic features of ASR can be identified at the DRI scale on specimens with an expansion close to the limit of 0.040% or lower. Upon replicate DRI determinations on eight specimens, the single operator variability was determined for each square (cm²) within the test specimens by ANOVA. The results obtained highlighted that the experience of the operator significantly influences the single operator variability and that a certain experience is required before achieving a reasonable consistency. The single operator variability determined at the scale of each square is considerably high with coefficients of variation ranging between 61.0 and 120.4%, depending on the magnitude of the DRI number of the specimen. The latter is directly influenced by the damage level of the specimen, i.e. the more damage -the lower the variability (from a relative point of view). By applying the sampling theory to the single operator variability found in this study, a margin of error related to the instrumental measurement uncertainty was determined. It was found that the instrumental measurement uncertainty of the method (i.e. the repeatability of the measuring instrument) for an experienced operator is equal to ≈11% (depending on the damage degree) when analysing approximately 200 cm². The latter can be compared to other test methods frequently used in laboratories like the former AAR-3 (≈16-23%) or the ASTM C457 (≈16%). Three DRI spatial analysis tools were developed for this study, i.e. 1) the DRI damage mapping, 2) the analysis of grouped lines and 3) the damage profile. In summary, the DRI damage mapping consists in analysing the DRI number of each square separately and classifying them with a color code depending on the damage degree, hence qualitatively/visually identify damage contrast. The analysis of grouped lines consists in separating the specimen in grouped lines of equal distance (laterally) from the prism’s surface and assessing individually their respective DRI values within the specimen. The damage profile consists in separating the prism in zone of equal areas (4 or 9, depending on the prism size) from the top to the bottom and assess their respective DRI number. According to the results obtained in this study, the DRI method is “sensitive” enough for damage spatial analysis if local damage variations are present within an area large enough, i.e. ± 50 cm², although the DRI damage mapping is the less reliable of the above tools. Otherwise, the method’s single-operator precision (i.e. repeatability) is not highenough to provide a relatively good indication of the extent of damage variations at such small scale. Overall, the damage assessed within prisms suggest that some binder types or exposure conditions (e.g. alkali leaching or alkali wrapping) may induce certain internal damage variations. Comparing the damage degree of prisms with equal expansion but different binder types (with and without SCMs) revealed a somewhat higher degree of damage assessed through the DRI method for some SCM-bearing specimens. In this study, the use of fly ash was found to have no effect on DRI number, whereas an increase in DRI number was found for specimens of similar expansion incorporating slag. This damage increment is largely due to an increase of counted cracks in the cement paste, which is believed to be either caused by another damage mechanism (such as shrinkage) or the higher contrast between the whitish cracks and the darker cement paste making them easier to be noticed by the operator. Even for specimens with an expansion between 0.022 to 0.041%, several ASR petrographic features like voids of the cement paste filled/lined with secondary reaction products or reaction rims (depending on the aggregate type) can be noticed when conducting the DRI (with a stereomicroscope at ≈ 15x magnification). Other ASR damage features like opened cracks in the aggregate particles with reaction products or cracks in the cement paste with reaction products were also noticed in those specimens, although rare.This leads to the conclusion that ASR can be diagnosed visually when performing DRI determination on concrete specimens with an expansion as low as 0.022%.

Ce projet fait suite à une étude réalisée en 2019 par une firme d'ingénierie qui a confirmé que la RAS affecte à différents degrés les semelles des piliers de l'Estacade du pont Champlain à Montréal. Les conclusions de l'étude semblent toutefois incertaines quant au niveau précis d'endommagement actuel (diagnose) et le potentiel d'endommagement futur de ces éléments (prognose). Un programme expérimental basé sur l'approche proposée par Fournier et coll. (2010) a été proposé afin de compléter la diagnose et la prognose des semelles de l'Estacade pour mieux outiller les gestionnaires intéressés à prolonger la durée de vie de cette structure. Le Damage Rating Index (DRI) et le Stiffness Damage Test (SDT) ont été proposés afin de documenter le volet diagnose. Les essais d'expansion sur carottes de béton (>95% H.R. et NaOH 1N à 38°C) et de détermination de la teneur en alcalis solubles du béton (extraction à l'eau chaude et froide modifiée (rapport solide : liquide de 1 : 5)) constituent le volet prognose. Enfin, l'approche du LMDC (Toulouse) a été utilisée parallèlement pour vérifier le potentiel expansif des granulats, soit par la fabrication de barres de mortier à partir des granulats extraits des éprouvettes de béton. Deux bétons de compositions distinctes ont été identifiés dans les éléments de béton étudiés. Le béton de type A, le plus abondant, a été fabriqué avec un sable manufacturé de type calcaire et un gros granulat consistant en un mélange d'une roche intrusive non réactive et d'un calcaire réactif. Le béton de type B est pour sa part composé d'un sable naturel non réactif de composition granitique et d'un gros granulat réactif de type calcaire. Malgré une variabilité significative des résultats aux essais SDT et DRI, le béton de type A montre un niveau d'endommagement moyen allant de *modéré* à *très élevé*, mais inférieur à celui du béton de type B, lequel est en moyenne *élevé* à *très élevé*. Ce niveau d'endommagement a été établi selon de nouvelles cotes d'évaluation de l'endommagement pour des structures affectées par la RAS. Malgré une concentration très élevée en alcalis solubles dans le béton de type A, accentuée vraisemblablement par une contribution de la roche non réactive, celui-ci montre un moins grand potentiel expansif que le béton de type B. Il est probable que la concentration en alcalis très élevée mesurée dans le béton de type A soit associée à la présence de feldspaths sodiques de la roche volcanique non réactive. Sur la base des résultats générés et des analyses qu'ils ont permises, il est recommandé de procéder à un suivi périodique pour les semelles composées du béton de type A, puis à un suivi prioritaire dans le cas des semelles composées du béton de type B. / This project follows a study conducted in 2019 by SNC-Lavalin which confirmed that the footings of a bridge structure in the Montréal area were affected by the alkali-silica reaction (ASR). However, these conclusions was uncertain with respect to the severity of the current damage (diagnosis) and the potential for further expansion (prognosis). An experimental program based of the protocol proposed by Fournier et coll. (2010) was implemented with the objective of completing the diagnosis and prognosis of the footings to help with the management of the structure and to extend its service life. The Damage Rating Index (DRI) and the Stiffness Damage Test (SDT) were proposed to document the diagnosis of the footings. The expansion tests on concrete cores (>95% R.H. and NaOH 1N at 38°C) and the alkali soluble content determination test (HWE and modified CWE) were used to establish the prognosis of the footings. Finally, the approach proposed by the LMDC (Toulouse) was used to verify the absolute expansive potential of the aggregates, which consists of testing the expansion of mortar bars with the extracted reactive coarse aggregate of damaged concrete samples. Two types of concrete were identified in the footings of the structure. Concrete A, the most abundant, was made with a manufactured limestone sand and a coarse aggregate consisting of a mixture of fine-grained reactive limestone and non-reactive volcanic rock type. Concrete B was made with a reactive coarse limestone aggregate and a non-reactive natural (granitic composition) fine aggregate. Despite a high variability within the results of the SDT and DRI, the damage in concrete A ranges from *moderate* to *very high* and was found to be lower than the damage in concrete B which ranges from *high* to *very high*. Despite a very high concentration of alkalis in concrete A, which is probably caused by the contribution of the non-reactive volcanic aggregate, concrete A shows a lower expansion potential compared to concrete B. It is believed that an alkali-rich (feld-spathoid) mineral in the volcanic rock type in the coarse aggregate of Concrete A has contributed to the high water-soluble alkali content measured on that concrete. Finally, a follow-up when feasible is recommended for the footings composed of concrete A. For the footings constructed with concrete B, a prioritized follow-up is suggested.

La pyrrhotite est un minéral qui, lorsque présent dans les granulats du béton, peut causer d'importants problèmes dans les ouvrages au fil du temps. Lorsqu'elle est exposée à l'humidité et en milieu oxygéné, la pyrrhotite subit une réaction chimique d'oxydation qui entraîne la formation de composés expansifs qui font gonfler le béton et le fissurent. L'objectif principal de ce programme de doctorat est d'établir une méthodologie capable de reproduire les effets néfastes de cette réaction des sulfures de fer dans le béton et ce, dans des conditions de laboratoire contrôlés. Cette méthodologie vise à utiliser des granulats d'une taille comparable à celle que l'on trouve dans les éléments en béton affectés in situ. En outre, elle vise à garantir que la procédure d'essai puisse être exécutée dans un délai raisonnable (quelques mois). Pour atteindre cet objectif, cette recherche utilise des granulats provenant des régions de Trois-Rivières au Québec, Canada et du Connecticut, États-Unis. Ces granulats, caractérisés par des concentrations variables de soufre total (S[T indice]), servent de matériaux de référence porteurs de sulfures pour l'étude. Ils sont accompagnés dans cette étude de granulats de référence contenant de faibles teneurs en S[T indice]. La phase initiale de la thèse s'est concentrée sur la conception d'un traitement pour activer l'oxydation des sulfures de fer dans des conditions bien contrôlés en laboratoire. La réflexion s'est basée sur l'hypothèse que l'oxydation des ions fer (Fe²⁺) des sulfures présents dans les granulats puisse être facilitée de manière catalytique par la présence d'ions chlorures dans le système. S'appuyant sur des méthodologies de laboratoire établies pour évaluer la diffusion des ions chlorures dans le béton, ce segment du projet a consisté à concevoir et à fabriquer une nouvelle cellule électrochimique. L'objectif est d'imprégner complètement d'ions chlorures des éprouvettes de béton de 200 mm de longueur. À la suite de l'essai électrochimique, des signes d'endommagement tels que des traces d'oxydation, des éclatements (pop-outs) et des fissures superficielles ont permis de valider l'impact catalytique des ions chlorures sur le béton. En plus, différentes techniques telles que l'examen pétrographique et la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie dispersive en énergie des rayons X (SEM + EDXA) ont confirmé la formation des produits de réaction secondaires issus de l'oxydation des sulfures de fer présents dans les granulats et de l'attaque sulfatique interne qui s'en suit. L'objectif était ensuite de définir une procédure avec des paramètres d'essais optimisés. Les résultats de ces travaux indiquent qu'un essai électrochimique de 35 jours – comprenant une phase d'imprégnation aux ions chlorures de 14 jours suivie d'une période de traitement des éprouvettes sous tension imposée de 21 jours est efficace. Cette durée d'essai engendre des dommages dans les conditions de laboratoire, ce qui permet de différencier les matériaux granulaires réactifs des granulats de référence pauvres en sulfures de fer. Grâce à l'examen de plaques de béton poli et à l'examen pétrographique, une description détaillée a été proposée sur les mécanismes de détérioration générés par l'activation de la réaction d'oxydation des sulfures de fer dans des éprouvettes de béton lors de l'essai électrochimique. Pour évaluer le potentiel de réactivité d'un granulat contenant des sulfures de fer, le module d'élasticité relatif (RMoE) est une mesure plus efficace. Cette valeur est obtenue en comparant le module d'éprouvettes de béton sain après une cure humide de 28 jours et celui d'éprouvettes « sœur » soumises à l'essai électrochimique susmentionné. En outre, et avec l'appui de la technique de cartographie chimique du micro XRF, l'initiation et la propagation de l'attaque sulfatique interne due à l'oxydation des sulfures de fer présents dans le gros granulat est également confirmée. Aussi, une comparaison avec le protocole proposé par Rodrigues et coll. (2016) a été effectuée sur cinq matériaux granulaires avec des teneurs en S[T indice] variées afin de vérifier l'efficacité de la méthode pour classer un matériau granulaire comme réactif ou non réactif. Une valeur seuil préliminaire pour le RMoE de 0,75 est ainsi proposée pour distinguer/détecter la réactivité des granulats contentant des sulfures de fer. / Pyrrhotite is a mineral that, when present in concrete aggregates, can cause significant structural problems over time. When exposed to moisture in an oxygenated environment, pyrrhotite undergoes a chemical oxidation reaction, leading to the formation of expansive compounds that swell and crack the concrete. The primary objective of this doctoral program is to establish a methodology capable of replicating the adverse effects of this reaction in concrete within a controlled laboratory environment. This methodology aims to use aggregates of a size comparable to that found in affected in-situ concrete elements. Additionally, it aims to ensure that the test procedure can be carried out within a practical timeframe (a few months). To achieve this goal, aggregates from the Trois-Rivières region of Quebec, Canada, and from Connecticut, United States, are used in this research. These aggregates, characterized by different concentrations of total sulfur (Tₛ), serve as sulfide-bearing reference materials for the study. They are accompanied in this study by reference aggregates containing low levels of Tₛ. The initial phase of the thesis focused on designing a treatment to activate the oxidation of iron sulfides in controlled laboratory conditions. A working hypothesis proposed that the oxidation of iron ions (Fe²⁺) could be catalytically facilitated by the presence of chloride ions in the system. Based on established laboratory methods for evaluating chloride ion diffusion in concrete, this segment of the project involved the design and implementation of a new electrochemical cell. The objective is to fully impregnate 200 mm long concrete specimens with chloride ions. After the electrochemical test, evidence of damage such as oxidation traces, pop-outs, and surface cracking validated the catalytic effect of chloride ions on concrete. Additionally, various techniques such as petrographic examination and scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM + EDXA) confirmed the formation of secondary reaction products resulting from the oxidation of iron sulfides present in the aggregates and of the subsequent internal sulfate attack. The objective was then to define a procedure with optimized test parameters. The results of this work indicate that a 35-day electrochemical test - consisting of a 14-day chloride ion impregnation phase followed by a 21-day period of specimen treatment under impressed voltage - is effective. This test duration induces damage under laboratory conditions and allows differentiation between reactive aggregate materials and reference aggregates low in iron sulfides. Through examination of polished concrete slabs and petrographic examination, a detailed description of the deterioration mechanisms generated by the activation of the iron sulfide oxidation reaction in concrete specimens during electrochemical test was proposed. To assess the reactivity potential of a sulfide-bearing aggregate, the relative modulus of elasticity (RMoE) was found to be most efficient. This value is obtained by comparing the modulus of elasticity of sound concrete specimens after 28-day of wet curing and that of companion specimens subjected to the electrochemical test. Furthermore, the initiation of internal sulfate attack due to the oxidation of aggregates containing iron sulfides is also confirmed with the aid of the micro XRF chemical mapping technique. In addition, a comparison with the protocol proposed by Rodrigues et al. (2016) is carried out on five aggregate materials with different Tₛ contents to verify the effectiveness of the method for classifying aa aggregate material as reactive or non-reactive. A preliminary threshold value for RMoE of 0.75 is proposed to differentiate/detect the reactivity of aggregates containing iron sulfides.

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.

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.

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.

Durant les années 1950 - 1970, il était assumé que le béton pouvait fournir une résistance adéquate pour assurer le bon comportement structural des dalles en béton armé sous des contraintes de cisaillement. Cependant, l'introduction récente de certains mécanismes, tels que le facteur d'échelle, a soulevé de nouvelles inquiétudes quant à la capacité structurale de ces éléments, plus particulièrement pour les infrastructures en béton armé qui sont vieillissantes et qui sont affectées par la réaction alcalis-silice (RAS). Dans le but d'évaluer ces préoccupations, une étude a été effectuée afin de déterminer la capacité à l’effort tranchant de sections de dalles épaisses en béton armé, sans étrier, et affectées à différents niveaux par la RAS. Un total de huit (8) corps d’épreuve en béton de 610 mm de largeur, 750 mm de hauteur et 4500 mm de longueur, ont été fabriqués et soumis à des conditions permettant le développement de la RAS. Les dalles épaisses présentant différents niveaux d’expansion (0,07, 0,15 et 0,23%) ont été testées structuralement jusqu’à leur rupture. Certaines d’entre elles ont également été soumises à un programme de caractérisation des matériaux afin de définir leurs propriétés mécaniques. Selon les conditions qui prévalaient dans le présent programme de recherche, il semble que la réaction alcalis-silice n’ait pas eu une influence néfaste sur la capacité en cisaillement des dalles testées, et ce, malgré que le matériau ait subi des niveaux d’endommagement parfois très sévère. L’analyse des résultats suggère que quatre (4) paramètres principaux peuvent influencer la résistance ultime à l’effort tranchant. Il s’agit des propriétés mécaniques du béton, de la précontrainte chimique causée par la réaction alcalis-silice (RAS), de l’espacement des fissures de cisaillement ainsi que la taille des particules de granulats. / During the 1950’s - 1970’s, it was assumed that concrete could provide adequate strength to ensure good structural behaviour of reinforced concrete slabs under shear stresses. However, new understanding of certain mechanisms, such as scale factors, has raised new concerns about the structural capacity, especially for aging concrete slabs affected by ASR. In order to assess those concerns, a study was carried out to determine the residual shear capacity of thick concrete slabs sections without stirrups, affected by ASR as a function of its development. Eight (8) concrete specimens, 610 x 750 x 4500 mm in size, were manufactured and subjected to conditions enabling ASR development. The thick slabs were tested up to failure at selected ASR expansion levels (0.07, 0.15 and 0.23%). Some of them have also been subjected to a material characterization program to define their mechanical property. According to the conditions prevailing in the present research program, it appears that ASR has not a detrimental influence on the shear capacity of the unreinforced tested slabs, despite the fact that the material has undergone severe damage. Analysis of the results suggests that four (4) main parameters can influence ultimate shear strength. These include the mechanical properties of the concrete, the chemical prestress caused by the alkali-silica reaction (RAS), the shear crack spacing as well as the size of the aggregate particles.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont porté sur l’essai de migration. Cet essai est utilisé en génie civil pour évaluer les coefficients de diffusion ioniques dans les matériaux cimentaires. Dans le but de contribuer à l’utilisation de l’essai de migration, un protocole a été élaboré afin d’améliorer la compréhension de certains éléments propres aux aspects expérimentaux de l’essai et l’analyse des résultats. Ainsi, à travers cette étude, différents paramètres expérimentaux sont examinés afin de définir une méthodologie expérimentale fiable. Du côté de la méthode d’analyse des résultats expérimentaux, une attention particulière a été apportée à la manifestation de réactions chimiques durant l’essai. Cet aspect est généralement négligé dans les analyses conventionnelles. L’analyse de la pénétration d’ions utilise le logiciel STADIUM® afin d’obtenir les coefficients de diffusion et la tortuosité propre au matériau étudié. Mots clés : Coefficient de diffusion, migration, ions, profil, courant, matériaux cimentaires. / The research presented in this dissertation pertains to the migration test, which is used in civil engineering to evaluate ionic diffusion coefficients of cementious materials. With the objective of contributing to the utilisation of the test, a protocol was elaborated in order to improve the comprehension of certain elements pertaining to the experimental aspects of the test, and data analysis. Through this study, various experimental parameters are examined, in order to define a sound experimental methodology. As for the data analysis portion, particular attention was paid to the presence of chemical reactions during the test. This is an aspect which is often neglected in conventional analyses. Ion penetration analysis is carried out using the modeling software STADIUM® in order to obtain the diffusion, and tortuosity coefficients of the material being studied. Keywords : Diffusion coefficient, analysis, migration, ions, profil, current, cement materials.

Dans les années 50–70, il était considéré qu’une épaisseur suffisante de béton était nécessaire pour résister au cisaillement dans le cas des structures de type dalle épaisse. Cependant, l’intégration récente, dans les équations de calcul de résistance, de certains mécanismes remet en cause la capacité en cisaillement de ce type d’ouvrage, particulièrement pour les dalles épaisses atteintes de Réaction Alcalis-Silice (RAS). C’est pourquoi, une étude est réalisée de manière à déterminer la capacité portante en cisaillement de dalles épaisses sans renforcement en cisaillement atteintes de RAS. Pour cela, une série de quatre dalles réactives (3) et une non réactive (1) de 610 x 750 x 4500 mm a été fabriquée, conditionnée de manière à activer la réaction, puis testée structuralement jusqu’à la rupture à des niveaux d’expansion présélectionnés. De plus, les propriétés du matériau ont été déterminées. Les dalles réactives présentent une plus grande résistance que la non réactive, résultant des fissures et de la précontrainte chimique induites par la RAS. / During the 1950’s-1970’s, it was considered that concrete provided adequate strength to ensure the proper performance of concrete slabs under shear stresses. However, the recent introduction, in performance calculations, of certain mechanisms, has raised new concerns about the structural capacity of this type of structures, especially aging concrete slabs affected by Alkali-Silica Reaction (ASR). That is why a study is being carried out to determine the residual shear capacity of thick concrete slabs without shear reinforcement with the progress of ASR. In order to do so, one set of four reactive (3) and non-reactive (1) concrete specimens, 610 x 750 x 4500 mm in size, was fabricated, subjected to conditions conducive to the development of ASR, then tested up to failure at selected expansion levels due to ASR. Also, the materials properties were determined. The reactive slabs actually showed higher strength that the non-reactive one, resulting from cracks and a chemical prestressing process due to ASR.

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.