Ce travail examine les propriétés mécaniques du béton léger (LWAC) fabriqué avec des granulats commercialement connus par Stalite et renforcé avec des fibres. Les paramètres étudiés comprenaient la résistance à la compression (25 et 40 MPa), le type de fibres (acier, synthétique, basalte-minibars ou BMB et hybrides) et la fraction volumique des fibres (0,5 et 1%). Les essais effectués comprenaient des essais de compression, de déformation axiale, de traction sous pression, de module d'élasticité, de flexion, de retrait et de perte de masse. De plus, des tests de pénétration des ions chlorure et de résistivité de surface ont été effectués pour examiner la durabilité du béton. Les résultats des essais ont montré que le coefficient d'efficacité du LWAC, défini comme le rapport entre la résistance à la compression et la densité, était supérieur de 16% à celui du béton de poids normal (NWC). De plus, le module d'élasticité de LWAC a chuté de 8,5 à 15,2% par rapport à celui de NWC alors que son coefficient de Poisson variait entre 0,2 et 0,24. L'ajout de fibres a amélioré les propriétés mécaniques du LWAC. L'absorption d'énergie de LWAC a augmenté de 129% en augmentant la fraction volumique des fibres BMB de 0,5 à 1%. De plus, le module de rupture du LWAC était plus élevé que celui prévu avec les formulations ACI 318 (2014). Les résultats des tests de durabilité ont montré que la pénétration des ions chlorure de LWAC était « très faible » selon la classification ASTM C1202 (2012). De plus, l'utilisation d'agrégats légers a augmenté la résistivité de surface du béton jusqu'à 150%. Cependant, l'ajout de fibres d'acier a augmenté la pénétration des ions chlorure et diminué la résistivité de surface du mélange, tandis que l'ajout de fibres BMB n'a montré aucune influence sur les deux paramètres. / This study investigates the mechanical properties and durability of lightweight aggregate concrete (LWAC) made with expanded slate coarse aggregates (commerciallyknown as Stalite aggregates) and reinforced with different types of fibers. The parameters investigated included the compressive strength (25 and 40 MPa), the type of fibers (steel, synthetic, and basalt-minibars or BMB, and hybrid fibers), and the volume fraction of the fibers used (0.5 and 1%). The experimental tests conducted to characterize the obtained LWAC included compression tests, axial deformation tests, pressure tension tests, modulus of elasticity tests, flexure tests, shrinkage tests, and mass-loss tests. Furthermore, both chloride-ion penetration and surface resistivity tests were carried out to examine the durability of LWAC mixes. Test results showed that the efficiency ratio of LWAC, defined as the ratio of compressive strength to density, was 16% higher than that of normal weight concrete (NWC). Moreover, the modulus of elasticity of LWAC dropped by 8.5 to 15.2% compared to that of NWC whereas its Poisson’s ratio ranged between 0.2 and 0.24. The addition of fibers significantly enhanced the mechanical properties of the LWAC. For instance, the energy absorption of LWAC increased by 129% by increasing the volume fraction of BMB fibers from 0.5 to 1%. Furthermore, the modulus of rupture of LWAC was higher than that predicted using ACI 318 (2014) formulations. In terms of durability, test results showed that the chloride penetration of LWAC was “very low” according to ASTM C1202 (2012) classification. Moreover, using lightweight aggregates increased the surface resistivity of concrete up to 150%. However, the addition of steel fibers increased the chloride penetration and decreased the surface resistivity of the mix while the addition of BMB fibers showed no influence on both parameters.

S’inscrivant dans la volonté du Ministère des Transports du Québec d’utiliser le béton léger dans des travaux de réparation, mais également pour de nouvelles structures, l’objectif principal de ce projet réside dans l’établissement d’une base scientifique offrant une meilleure compréhension des propriétés clés de ce matériau. Plusieurs volets expérimentaux ont donc été effectués dans le but de caractériser les propriétés mécaniques, le risque de fissuration et les résistances au gel-dégel et à l’écaillage d’un béton fabriqué avec des gros granulats de schiste expansé. Deux paramètres se trouvent au coeur de cette étude : d’une part, la teneur en eau des granulats légers, d’autre part, la quantité d’eau qu’ils relâchent et devant être comptée dans le rapport E/L (MAD). Les résultats expérimentaux de cette étude démontrent la possibilité de fabriquer au Québec un mélange de béton léger avec des propriétés mécaniques et une durabilité au gel satisfaisantes, bien que l’estimation du paramètre MAD soit encore mal maitrisée et ceci, d’autant plus que la teneur en eau effective des GL est élevée. / Over the years, lightweight aggregate concrete (LWAC) has been used in many building projects, notably in the USA and Nordic countries, but only in a few in Quebec. The aim of this project is to establish a better understanding of the fundamental properties of LWAC for a possible use in repairs and new structural projects. Several experimental phases were conducted in order to evaluate the mechanical properties, the cracking risk, the resistance of rapid freezing and thawing and the scaling resistance of a LWAC made with expanded shale coarse aggregate. We focused on two factors: the LWA water content and the evaluation of the quantity of water from LWA counted in the water/binder ratio. The experimental results show that, even if the understanding of the movements of water around the LWA is not yet total, mechanical properties and durability meeting structural standards can be obtained. For many properties like the cracking risk and the freezing resistance, LWAC are even better than usual concrete.

Il a été observé expérimentalement, dans la littérature, que la résistance du béton léger de polystyrène, à densité égale, diminue sensiblement lorsqu'on augmente la taille Ø des inclusions légères. L'objectif de cette thèse est l'identification de l'origine physique ainsi que la modélisation de cet effet de taille. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les mécanismes de rupture et l'effet de taille dans un béton léger modèle 2D où les billes de polystyrène sont remplacées par des trous de même taille distribués dans une matrice cimentaire homogène. Dans la deuxième partie de ce travail, une étude expérimentale a été conduite sur trois types de béton de polystyrène renfermant trois tailles différentes de billes et présentant des densités allant de 1200kg/m3 à 2000kg/m3. En outre, pour s'assurer que la taille du Volume Elémentaire Représentatif (VER) pour la résistance en compression du béton de polystyrène est atteinte, des éprouvettes homothétiques ont été testées. L'effet de la taille des hétérogénéités de la matrice (grains du sable) a été aussi étudié en testant trois types de matrice cimentaire. Les résultats de cette étude ont confirmé la présence d'un effet de taille, mais aussi une interaction antagoniste avec l'effet de la taille maximale lm des hétérogénéités de la matrice. Une démarche phénoménologique, basée sur l'analyse des mécanismes de ruine observés expérimentalement dans le béton de polystyrène a été suivie pour expliquer l'effet de taille et identifier la loi le régissant. Enfin, une étude numérique 2D de cet effet de taille a été conduite sur un réseau de barres, en se basant sur la théorie des équivalences.

Cette étude porte sur le comportement au cisaillement des poutres en béton léger fibré et renforcées par des barres de polymère renforcé de fibres de basalte (PRFB). Dix poutres (150x250x2400 mm) coulées avec du béton fibré ou non-fibré ont été testées en flexion. Deux poutres ont été coulées sans fibres (poutres contrôles) tandis que les huit autres poutres ont été coulées avec du béton contenant des différents types et pourcentages de fibres. Les paramètres étudiés comprenaient le type de fibres ajoutés au béton (fibres de basalte, de polypropylène et d’acier), la fraction volumique des fibres (0, 0,5 et 1,0%) et les taux de renforcement des barres de PRFB (0,95 et 1,37%). Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les modèles analytiques actuellement disponibles dans la littérature a été réalisée pour évaluer l'applicabilité de tels modèles pour prévoir la capacité des poutres testées en cisaillement. Les résultats de la présente étude indiquent que la géométrie des fibres joue un rôle important dans l'augmentation du nombre de fissures que celles observées dans les poutres contrôles. L'ajout de fibres a entraîné une défaillance plus ductile et le taux d'ouverture des fissures était retardé. La largeur de la fissure a diminué avec l'augmentation des ratios de renforcement longitudinal et des fractions volumiques des fibres. L'augmentation du taux de renforcement longitudinal a entraîné une rigidité plus élevée et a diminué les flèches à tous les stades du chargement. Les poutres coulées avec 1% de fibres de basalte, de polypropylène et d'acier ont montré une augmentation dans leurs capacités de cisaillement par rapport aux poutres contrôles d'environ 11, 16 et 63%, respectivement. Le type de fibres affectait de manière significative le gain dans les capacités de cisaillement des poutres, ce qui était attribué aux différentes propriétés physiques et mécaniques des fibres utilisées, telles que leurs dimensions, leurs géométries, et leurs mécanismes de liaison avec le béton. Les poutres coulées avec des fibres en acier à 0,5% présentaient des capacités de cisaillement plus élevées que celles coulées avec des fibres de basalte et de polypropylène de 23 et 16% respectivement, alors que les poutres coulées avec des fibres en acier à 1% de volume présentaient un gain de 47 et 41%, respectivement, dans leurs capacités. Les capacités de cisaillement prévues selon les équations de la norme CSA-S806-12 étaient conservatrices avec un rapport moyen Vprév/Vexp de 0,80 (écart type, ÉT = 0,12) pour les poutres sans fibres. Les modèles établis par Shin (1994) et Gopinath (2016) ont fourni de bonnes prévisions quant aux capacités de cisaillement des poutres en béton renforcé de fibres de basalte avec des ratios moyens Vprév/Vexp de 1,34 (ÉT = 0,09) et de 1,35 (ÉT = 0,07), respectivement. De même, le modèle de Shin (1994) a bien prédit les capacités de cisaillement des poutres en béton armé de fibres de polypropylène avec un rapport Vprév/Vexp de 1,34 (ÉT = 0,18). Les modèles de Gopinath (2016), Ashour A (1992) et Shin (1994) ont prédit les capacités de cisaillement des poutres en béton armé de fibres d'acier assez raisonnablement avec des ratio Vprév/Vexp de 1,01 (ÉT = 0,06), 1,07 (ÉT = 0,01) et 1,20 (ÉT = 0,08), respectivement. Un nouveau modèle a été proposé pour prédire les capacités de cisaillement des poutres en béton léger fibré renforcées par des barres longitudinales PRFB. Le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres en béton léger (avec des fibres de basalte) avec un rapport Vprév/Vexp de 1,01 (ÉT = 0,05) et celles des poutres en béton léger (avec des fibres de polypropylène) avec un rapport Vprév/Vexp de 0,99 (ÉT = 0,06). Le facteur de liaison et la matrice de liaison d'interface utilisés étaient respectivement 0,75 et 4,18 MPa. En même temps, le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres coulées avec des fibres d’acier avec un rapport Vprév/Vexp de 0,9 (ÉT = 0,00) quand le facteur de liaison et la matrice de liaison d'interface utilisés étaient respectivement 1,0 et 6,8 MPa. / This study reports on the shear behavior of fiber-reinforced lightweight concrete (FRLWC) beams reinforced with basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bars. Ten beams (150x250x2400 mm) cast with concrete with and without fibers were tested under fourpoint loading configuration until failure occurred. Two beams were cast without fibers and acted as control while the other eight beams were cast with different types and percentages of fiber. The investigated parameters included the fiber type (basalt, polypropylene, and steel fibers), the fibers volume fraction (0, 0.5, and 1.0%), and the beams’ reinforcement ratios (0.95 and 1.37%). Comparison between the experimental results and the analytical models currently available in the literature was performed to assess the applicability of such models for LWC reinforced with BFRP bars. Based on the outcome of the current study, the geometry of fibers played an important role in increasing the number of cracks than those observed in the control beams. The addition of fibers led to a more ductile failure and the rate of crack opening was delayed. Crack width decreased with the increase of the longitudinal reinforcement ratios and the fibers’ volume fractions. Increasing the reinforcement ratio resulted in higher stiffness and decreased its deflection at all stages of loading. Beams cast with 1% of basalt, polypropylene, and steel fibers showed an increase in their shear capacities in compared to control beams about 11, 16, and 63%, respectively. The type of fibers significantly affected the gain in the shear capacities of the beams, which can be attributed to the different physical and mechanical properties of the fibers used such as aspect ratios, lengths, geometries, densities, and their bonding mechanisms. Beams cast with 0.5% steel fibers exhibited higher shear capacities than those cast with basalt and polypropylene fibers by 23 and 16%, respectively, whereas the beams cast with 1% steel fibers showed a gain by 47 and 41%, respectively. The predicted shear capacities according to CSA-S806-12 code provisions were conservative with an average ratio Vpred /Vexp of 0.80 (standard deviation, SD = 0.12) for beams without fibers. Good predictions for the shear capacities of the basalt-fiber reinforced concrete beams (BLWC) were provided by the models derived by Shin (1994) and Gopinath (2016) in which the ratios Vpred /Vexp were 1.34 (SD = 0.09) and 1.35 (SD = 0.07), respectively. Also, the model of Shin (1994) predicted well the shear capacities of the polypropylene-fiber reinforced concrete beams (PLWC) with a Vpred /Vexp ratio of 1.34 and SD of 0.18. The models of Gopinath (2016), Ashour A (1992), and Shin (1994) predicted the shear capacities of steel-fiber reinforced concrete beams (SLWC) fairly reasonable with a Vpred /Vexp ratio of 1.01 (SD = 0.06), 1.07 (SD = 0.01) and 1.20 (SD = 0.08), respectively. A new model was proposed to predict the shear capacities of FRWLC beams reinforced with BFRP longitudinal bars. The proposed model predicted well the shear capacities of BLWC beams with a Vpred /Vexp ratio of 1.01 (SD = 0.05) and those of PLWC beams with a Vpred /Vexp ratio of 0.99 (SD = 0.06). The bond factor and the interface bond matrix used were 0.75 and 4.18 MPa, respectively. The proposed model also predicted well the shear capacities of beams cast with SLWC with a Vpred /Vexp ratio of 0.9 when the bond factor and the interface bond matrix were taken equal to 1.00 and 6.8 MPa, respectively.

Le comportement mécanique d'un matériau granulaire est intimement lié à la compatibilité élastique entre ses phases constituantes. La particularité des bétons de granulats légers est la combinaison d'une matrice cimentaire avec des granulats peu rigides. Sous ces conditions, cette thèse porte sur l'étude de la compatibilité élastique et du comportement mécanique des bétons de granulats légers. Le principal objectif est de définir les mécanismes qui contrôlent la résistance de ces bétons afin d'en optimiser les performances. Cet objectif est atteint par un apport combiné de la modélisation et de l'expérimentation. La partie modélisation fait appel à plusieurs concepts de la mécanique des matériaux composites à inclusions sphériques. Un modèle de perturbations est utilisé pour évaluer les contraintes résultantes induites par la présence des granulats légers au sein du béton sous charge. / En intégrant la proportion volumique des granulats aux calculs, ce modèle permet d'établir une méthode de prédiction du comportement mécanique des bétons légers en fonction des propriétés de chacune des phases. La partie expérimentale a pour but d'évaluer le comportement mécanique d'une large gamme de bétons légers et sert par conséquent à la validation du modèle. L'étude est dirigée à la fois sur les propriétés mécaniques de la matrice et du béton car les propriétés des granulats ne peuvent être déterminées adéquatement en laboratoire. Les résultats obtenus permettent de constater l'influence de la qualité de la matrice, de la densité des granulats, de l'entraînement d'air et du sable naturel sur la résistance en compression des bétons de granulats légers. On observe que la résistance est directement liée au rapport de module élastique entre les granulats et le béton, Eg=Eb, ainsi qu'à la distribution du squelette granulaire. D'autre part, on remarque que le module élastique des bétons légers varie de façon proportionnelle à la masse volumique du matériau durci. Enfin, la méthode de prédiction établie à l'aide du modèle de perturbations s'avère un outil efficace pour la formulation des bétons de granulats légers. Une étude complémentaire a été réalisée pour évaluer l'efficacité des microfibres et des mésofibres d'acier à contrôler la fissuration des bétons de granulats légers.