Self-consolidating concrete (SCC) is an emerging technology that utilizes flowable concrete that eliminates the need for consolidation. The advantages of SCC lie in a remarkable reduction of the casting time, facilitating the casting of congested and complex structural elements, possibility to reduce labor demand, elimination of mechanical vibrations and noise, improvement of surface appearance, producing a better and premium concrete product. The research focussed on capturing existing knowledge and making recommendations for current practice. An experimental program was undertaken at the Université de Sherbrooke to evaluate the lateral pressure developed by SCC mixtures. A portable devise (UofS2 pressure column) for measuring and predicting lateral pressure and its rate of decay of SCC was developed and validated. The UofS2 pressure column is cast with 0.5 m high fresh concrete and air pressure is introduced from the top to simulate casting depth up to 13 m. Then, develop and implement test method for field evaluation of relevant plastic and thixotropic properties of SCC that affect formwork pressure were done. Portable vane (PV) test based on the hand-held vane test method used to determine the undrained shear strength property of clay soil was the first setup as well as the inclined plane (IP) test. The IP device involves slumping a small concrete cylinder on a horizontal plate and then lifting up the plate at different durations of rest until the slumped sample starts to move. Identifying role of material constituents, mix design, concrete placement characteristics (casting rate, waiting periods between lifts, and casting depth), temperature, and formwork characteristics that have major influence on formwork pressure exerted by SCC were evaluated in laboratory and validated by actual field measurements. Relating the maximum lateral pressure and its rate of decay to the plastic properties of SCC were established. In the analytical part of the research, effective ways to reduce lateral pressure by developing formulation expertise and practical guidelines to lower lateral pressure of SCC were proposed. Various design equations as well as chart diagrams to predict formwork pressure that can be exerted by SCC on column and wall elements were derived and reported. In general, the results obtained show that measured lateral pressure is lower than corresponding hydrostatic pressure. The study has shown that lateral pressure exerted by SCC is closely related to the structural build-up at rest (or thixotropy) of SCC. The latter can be controlled using different mixture proportionings, material constituents, and chemical admixtures. SCC mixture with a high rate of structural build-up at rest can develop low lateral pressure on formwork. Increased rate of structural build-up at rest can be ensured by incorporating a greater volume of coarse aggregate, lower paste volume, and/or lower sand-to-total aggregate ratio. Incorporating coarse aggregate of larger maximum size could also increase the thixotropy and hence reduce the lateral pressure. This can also be achieved by reducing the workability of SCC using less HRWRA concentration. Indeed, all mixture factors have been replaced by measuring the rate of structural build-up at rest (or thixotropy) using the developed portable vane and inclined plane field-oriented test as well as the modified Tattersall MK-III concrete rheometer. On the other hand, increasing or maintaining the concrete temperature at a certain level plays an important role to reduce the lateral pressure. The higher concrete temperature can accelerate the heat of hydration of cement with water and increase the internal friction leading to higher thixotropy. Controlling the placement rate has a great impact on the resultant lateral pressure of SCC. The lateral pressure can be reduced by slowing down the casting rate, as concrete has more time to build-up. However, this can slow down the rate of construction. The casting rate should be optimized to yield a cost effective formwork system. Pausing the continuous casting by a waiting period can reduce the exerted lateral pressure. The research investigation could accelerate the acceptance and implementation of SCC technology in cast-in-place applications, which is the preponderate business of the ready mixed concrete suppliers. The research findings could also contribute to the removal of some of the major barriers hindering the acceptance of SCC in cast-in-place applications and provide the industry with much needed guidelines on formwork pressure.--Résumé abrégé par UMI.

L'objectif de ce travail est de contribuer à la valorisation du métakaolin en substitution du ciment dans les matrices cimentaires en levant certains verrous scientifiques. En effet l'utilisation d'additions minérales modifie les propriétés des bétons, que cela soit à l'état frais, à l'état durcissant ou à l'état durci. A l'état frais, la rhéologie a été étudiée avec l'adaptation et l'application d'une méthode de formulation pour béton auto-plaçant. Cette application a été développée jusqu'à l'échelle industrielle. A l'état durcissant, la phase d'hydratation a été étudiée en s'attardant particulièrement sur l'effet de la nature du ciment substitué sur la réactivité du métakaolin. Enfin à l'état durci deux caractéristiques de durabilité ont été explorées, à savoir l'effet du métakaolin sur la carbonatation dans une première partie, puis sur la diffusion des chlorures dans une deuxième partie. / The objective of the present thesis was to promote the use of metakaolin as substitute for cement in cementitious matrix by unlocking several scientific challenges. The use of mineral additions modifies the properties of concrete in the fresh state, the hardening state and the durability state. In the fresh state, rheology was studied by adapting a formulation method for self-compacting concretes. This application was then further developed to be used at an industrial scale. In the hardening state, the hydration phases were analysed with a focus on the effect of the cement nature on the metakaolin reactivity. Finally in the durability state, two particular features were studied:1) the metakaolin effect on the carbonation kinetic and 2) the effect of the metakaolin on the chloride diffusion.

Le béton auto-plaçant renforcé de fibres (BAPF) est l’un des récents développements dans le monde de la technologie du béton combinant les performances de l’auto-consolidation avec la ductilité post-pic et les nombreux avantages face à la fissuration grâce à la présence des fibres dans le béton. L’utilisation de BAPF accroît l’efficacité économique globale de la phase de construction en réduisant la main d’oeuvre, ou la consommation d’énergie requise, en accélérant la vitesse de construction, la réduction ou l’élimination de ferraillage conventionnel et à la simplification des détails et placement du ferraillage. Le BAPF a gagné en popularité dans ses utilisations durant les dernières années telles dans les tabliers de ponts, les poutrelles et les poutres. En dépit de preuve d’amélioration de synergie entre la technologie d’auto-placement et l’ajout de fibres dans le BAPF, il est obligatoire de déterminer les propriétés convenables de ce matériau pour trouver les caractéristiques inappropriées dans le béton à l’état frais et durci. A cet égard, les défauts, tels l’agglomération de fibres, la ségrégation et la performance d’écoulement et le placement incorrects à cause de propriétés rhéologiques inappropriées à l’état frais, entraînent une réduction dans la résistance évaluée. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les propriétés du béton auto-plaçant (BAP), des mélanges intégrant différentes teneurs en granulats et du BAPF (avec insertion de différents types et teneurs de fibres). Ceci peut aider au développement de BAPF avec une rhéologie adaptée et une performance mécanique adéquate incluant une résistance d’adhésion et de cisaillement convenable pour des applications structurelles. Dans le but d’évaluer l’effet des fibres sur les propriétés rhéologiques de BAP à l’état frais, des mélanges intégrant quatre types de fibres avec différents élancement (L/D) seront étudiés. Ces fibres incluent des crochets d’acier (STH 55/30), du fil d’acier tréfilé (STN 65/13), de la macro-fibre synthétique de propylène (PP 56/38) et de l’alcool polyvinylique (PVA 60/12) avec différentes teneurs volumiques (0.25%, 0.5%) ajoutées au BPA de référence. Tous les mélanges ont un rapport w/b fixé à 0,42 et la teneur en granulats grossiers est respectivement de 29, 32 et 35% par volume de béton. Les caractéristiques de béton frais ont été évaluées en considérant l’affaissement, l'évaluation du temps d’écoulement (V-funnel), l'amplitude à l'écoulement du BAP (J-Ring), le tassement de surface et le rhéomètre ConTec. Les propriétés du béton durci, en particulier la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, la résistance à la flexion, et le module élastique ont été évaluées. L’effet des types de fibres, des teneurs en fibres et en granulats sur la résistance à la rupture et la robustesse du BAP au cisaillement des mélanges optimisés, incluant le BAP de référence, le SCCAGG (32% and 35%), le FRSCC ST-H (0.25% and 0.5%), le FRSCCPP (0.25% and 0.5%), le PVA (0.25% and 0.5%) et le ST-N (0.25% and 0.5%) ont été testés en utilisant l’essai de cisaillement direct pour évaluer la résistance en cisaillement et la résistance résiduelle du béton. Les résultats des essais prennent en considération la capacité portante en cisaillement de l’élément structurel fabriqué à partir de BAPF. Les résultats des essais montrent que l’ajout de fibres était beaucoup plus efficace que l’accroissement de la teneur en agrégats sur la résistance au cisaillement du BAP. L’amélioration de la contrainte au cisaillement à la rupture comparée au mélange de référence est plus grande avec 16.3% pour l’ajout de fibre de type STN 0.5%, 15.8% pour l’ajout de fibre de type STH 0.5%, 14.92% pour l’ajout de fibre de type PP 0.5% et 7.73% pour l’ajout de fibre de type PVA 0.5%. De plus, l’ajout de fibres améliore le comportement post-pic en cisaillement du BPA en comparaison à l’augmentation de la teneur en granulats. L’augmentation de la teneur en fibres de 0.25% à 0.5%, par volume de béton, a amélioré la résistance et la ténacité au cisaillement, le comportement en flexion peu importe le type de fibres. Cette amélioration a été la plus élevée dans le cas du STH 0.5% et la plus basse pour des valeurs de PVA0.5%. La réponse de la résistance à l’adhésion des barres d’armatures localisées à différentes hauteurs de l’élément de mur (effet top-bar) a été étudiée pour des mélanges optimisés; le BPA de référence, les mélanges ST-H 0.5, et PP 0.5 ont été testés à travers l’essai d’arrachement direct des barres coulées dans le large élément de mur. Utilisation de fibres de propylène et de fibres à crochets d’acier au BPA a légèrement augmenté le facteur de modification à l’adhérence (effet top-bar) de 1 dans le cas du BPA jusque 1,1 et 1,2 pour les fibres de propylène et de crochets d’acier respectivement. Les éléments de mur fabriqués à partir du mélange de BPA de référence a montré la distribution de résistance la plus uniforme avec moins de 5% de réduction de sa résistance à l’adhérence sur la hauteur. Ces pertes de résistance à l’adhérence pour les éléments de mur coulés avec du BPA intégrant les de fibres de propylène et de fibres à crochets d’acier sont respectivement de 10% et 20%. / Abstract : Fiber reinforced self-consolidating concrete (FR-SCC) is one of the recent developments in the world of concrete technology which combines the self-consolidating performance with the post-peak ductility and multiple cracking advantages due to presence of fiber reinforcement in concrete. The use of FR-SCC increases the overall economic efficiency of the construction process by reducing the workforce, or energy consumption required, increasing speed of construction, reduction or elimination of the conventional reinforcement and to the simplification of reinforcement detailing and placement. The FR-SCC has gained increasing popularity applications in the last few years such as bridge decks, girders and beams. Despite the improvement evidence of synergy between self-consolidating technology and fiber addition in the FR-SCC, finding adequate properties of this material is mandatory to find any improper characteristics in the fresh and hardened states. In this regards, defects, such as fiber clustering, segregation and improper flow performance and placement due to improper rheological properties in the fresh state, which leads to reduction in strength, are evaluated. The main objective of this study is to evaluate some rheological and mechanical properties of self-consolidating concrete (SCC) mixtures with different aggregate contents and FR-SCC (incorporating different fiber types and contents). This can help to develop of FR-SCC with adapted rheology and proper mechanical performance including bond strength and shear strength for structural application. In order to evaluate the effect of fibers on rheological properties of SCC in the fresh state, mixtures incorporating four types of fibers with different aspect ratio (L/D) were investigated. The fibers included steel hooked (STH 55/30), steel drawn wire needles (STN 65/13), synthetic macro-fiber propylene (PP 56/38) and polyvinyl alcohol (PVA 60/12) with variety of volume content (0.25%, 0.5%) added to the SCC reference. All mixtures has a fixed w/b ratio of 0.42 and different coarse aggregate contents of 29, 32 and 35%, by volume of concrete. The fresh concrete characteristics were evaluated by considering the slump flow, V-funnel, J-Ring, surface settlement and ConTec rheometer. The hardened properties, mainly compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength, flexural toughness, and modulus of elasticity were evaluated. The effect of fiber type, fiber content, and coarse aggregate content on ultimate shear load and shear toughness of the optimized mixtures. The mixtures including SCC reference, SCC with aggregate volume of 32% and 35% (SCCAGG 32% and SCCAGG 35%), SCC incorporating ST-H fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC ST-H 0.25% and FRSCC ST-H 0.5%), SCC incorporating PP fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC PP 0.25% and FRSCC PP 0.5%), SCC incorporating PVA fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC PVA 0.25% and FRSCC PVA 0.5%) and SCC incorporating ST-N fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC ST-N 0.25% and FRSCC ST-N 0.5%) were tested using the direct shear push-off test to evaluate shear strength and residual shear strength of the concrete. These test results could be used in the shear load carrying capacity of the structural element made by FRSCC. The test results show that adding fiber was much more effective than increasing aggregate content on the shear strength behaviour of SCC. The ultimate shear stress improvement of the mixtures incorporating fiber compared to the SCC reference mixture were 16.3% for STN 0.5%, 15.8% for STH 0.5%, 14.92% for PP 0.5%, and 7.73% for PVA 0.5% mixture. Moreover, adding fibers improved the post-peak shear behaviour of SCC compared to addition of aggregate content. Increasing the fiber content from 0.25% to 0.5%, by volume of concrete, improved shear strength, shear toughness and flexural toughness behaviour regardless of the fiber types. This enhancement was highest in the case of STH 0.5% and lowest values for PVA0.5%. The bond strength response of rebars located at different heights of the wall element (top-bar effect) investigated for optimized mixtures, including SCC reference, ST-H 0.5, and PP 0.5 mixtures was tested through direct pull-out test of rebars cast in the large wall elements. Adding propylene and steel hooked fibers to SCC is found to slightly increase the bond modification factor (top-bar effect) from 1 in the case of SCC up to 1.1 and 1.2 for propylene and steel hooked fibers, respectively. The wall elements made with SCC reference mixture showed the most uniform bond strength distribution and had less than 5% reduction of bond strength along the height. These bond strength losses for wall element cast with SCC incorporating 0.5 % of steel hooked fiber and that of propylen fiber with the same volume are 10% and 20%, respectively.