Le domaine du génie civil subit en ce moment une transition technologique dans laquelle l'utilisation d'outils numérique et robotique permet l'amélioration des performances et l'optimisation de nombreux procédés. Le béton projeté ne fait pas exception à cette modernisation et c'est pourquoi il semble pertinent d'aller plus loin dans l'automatisation de ce procédé. Fort de ses connaissances en matière de béton projeté, le Laboratoire de béton projeté du CRIB de l'Université Laval a décidé de lancer la conception d'une technologie de béton projeté automatisé. Ce projet permettra d'aller plus loin dans la compréhension des phénomènes à l'œuvre lors de la projection de béton et aussi de développer une méthode innovante de fabrication de béton automatisée. La présente étude s'inscrit dans la continuité du développement d'une technologie de béton projeté réalisée à l'aide d'un bras robotisé et s'intéresse plus particulièrement à l'analyse des différentes stratégies de projection ainsi qu'à leur impact sur les phénomènes de rebond et la performance de mise en place. De plus, la réalisation d'une pièce bétonnée complexe à l'aide du système robotisé ainsi que la conception d'un module de vision numérique prototype a permis d'aller plus loin dans la conception et le développement de l'automatisation globale du système. Tout d'abord, l'utilisation du bras robotisé a permis de réaliser des campagnes d'essais visant à évaluer l'influence de l'angle de projection sur la quantité de rebonds, avec une répétabilité et une précision quasi impossible à atteindre manuellement. Les résultats fournis par ces essais ont permis d'étoffer les analyses précédentes portant sur l'impact des différents paramètres de projection sur le phénomène de rebond ainsi que de confirmer la pertinence de maintenir une orientation normale du jet de matériaux par rapport à la surface de projection afin de minimiser les pertes liées au rebond. La seconde étape de ce projet a consisté à réaliser de façon automatique un essai de certification de lancier normalisé à l'aide du bras robotisé. Pour cela, les efficacités de différentes stratégies de projection ont été explorées dans le but de remplir au mieux un panneau de certification contenant des barres d'armature. Une trajectoire spécifique a permis de valider l'essai en réalisant automatiquement un panneau où l'intégralité des barres d'armatures était correctement enrobée. Enfin, la fabrication autonome d'une pièce bétonnée à géométrie complexe a été menée à bien au cours d'un projet preuve de concept multidisciplinaire. Cette réalisation a permis de mettre en pratique de façon concrète les connaissances acquises lors des essais précédents, de prouver le potentiel de fabrication innovante de la technologie de béton projeté et enfin, d'amorcer les réflexions portant sur les étapes nécessaires à l'amélioration de l'automatisation du système. Le fruit de ces réflexions a mené à la conception préliminaire d'un outil de vision numérique ainsi qu'à une proposition du fonctionnement global du système et de l'organisation de ces différents modules. / The field of civil engineering is currently undergoing a technological transition where the use of digital and robotic tools allows for improvements of performance and optimization of many processes. Shotcrete is no exception to this modernisation and this is why it seems relevant to go further in the automation of this process. With its expertise in the field of shotcrete, the Shotcrete Laboratory of the CRIB of Laval University has decided to launch the design of an automated shotcrete technology. This project will allow to further explore the phenomenon involved in concrete spraying and also to develop an innovative method of automated concrete manufacturing. The present study is part of a project developing a sprayed concrete technology using a robotic arm. The study focuses on the analysis of the different spraying strategies and their impact on the rebound phenomenon as well as placement performance. Moreover, the realization of a complex concrete element using the robotic system and the design and development of a prototype digital vision module allowed to go further in the development of the global automation of the system. First of all, the use of the robotic arm made it possible to carry out test campaigns aimed at evaluating the influence of the angle of spraying on the quantity of rebound, with a repeatability and a precision almost impossible to reach manually. The results provided by these tests have expanded the previous analyses on the impact of the various projection parameters on the rebound phenomenon. They also confirmed the relevance of maintaining a normal orientation of the material spray over the receveing surface in order to minimize the rebound. The second step of this project consisted in carrying out, automatically, a standardized test of nozzleman certification by using the robot arm. For this purpose, the efficiency of different spraying strategies was explored in order to fill a certification panel containing reinforcing bars as well as possible. A specific trajectory was used to validate the test and produced a panel where all the reinforcing bars were correctly embedded. Finally, the automatic fabrication of a concrete element with a complex geometry was successfully achieved during a multidisciplinary proof-of-concept project. This realization allowed to put into practice the knowledge acquired during the previous tests, to prove the potential of innovative manufacturing of the shotcrete technology and finally, to initiate the reflections on the steps necessary to improve the automation of the system. The outcome of these reflections led to the preliminary design of a numerical vision tool as well as a proposal for the global working of the system and the organization of its different modules.

Le béton projeté est une méthode de mise en place rapide, économique et polyvalente qui offre de multiples avantages par rapport au béton conventionnel dans divers types de constructions nouvelles et dans les réparations. Un des grands avantages du béton projeté est de permettre une mise en place sur des surfaces fortement irrégulières en utilisant peu on même aucun coffrage. Cependant, ces mêmes caractéristiques rendant le béton projeté avantageux et polyvalent peuvent le rendre vulnérable à la fissuration due au retrait restreint. Cette vulnérabilité vient de la restriction élevée inhérente à de nombreuses applications (projection adhérente sur substrat rigide). En effet, le béton développera des contraintes internes s’il ne peut manifester ses changements volumétriques librement, ce qui peut conduire à de la fissuration lorsque ces contraintes atteignent la résistance en traction du matériau. La fissuration des réparations due au retrait restreint est sans aucun doute un des plus grands défis auxquels l’industrie des réparations en béton fait face aujourd’hui. La fissuration peut raccourcir les années de service d’une structure en béton (corrosion accélérée, délamination, etc.) et engendre souvent des coûts des maintenances supplémentaires importants. Il existe peu d’informations fiables dans la littérature sur les paramètres qui influencent la fissuration due au retrait restreint des bétons projetés ainsi que sur leur comportement à long terme en service. Ce manque d’informations à propos de l’influence des différentes composantes du mélange et de la mise en place des bétons projetés rend difficile, voire impossible, la prédiction du comportement à long terme des bétons projetés face aux problèmes de fissuration. De plus, l’ensemble des paramètres individuels affectant la fissuration due au retrait restreint est très difficile à identifier. Pour cette raison, il est devenu impératif de caractériser le comportement volumétrique des bétons projetés au moyen d’essais de retrait restreint. Dans cette thèse, l’évolution de différentes propriétés à l’état frais et durci telles que la consistance de projection, le rebond, la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, le module élastique, le retrait libre et le retrait restreint est étudiée. Ce projet se concentre particulièrement sur les mélanges et leur composition, la méthode de mise en place et le potentiel de fissuration due au retrait restreint. Le potentiel de fissuration sera évalué au moyen d’une procédure d’essai annulaire qui a récemment été adaptée et amélioré pour les bétons projetés. À partir des données expérimentales générées, une analyse approfondie du développement des contraintes et de la résistance à la fissuration des bétons projetée sera conduite. / Shotcrete is a fast, cost-saving, sustainable and versatile concrete placement method that offers numerous advantages over conventional concrete in a variety of new construction and repair works. One of the major benefits of the shotcrete process is that it can be sprayed over irregular surfaces and can cover large surfaces with little or no formwork. Howbeit, these same versatile features also often make shotcrete vulnerable to restrained shrinkage cracking. Cracking occurs mainly because of the highly restrained conditions that are inherent in many shotcrete applications (spraying on a rigid substrate). If shrinkage is restrained, internal tensile stresses are progressively induced in the element which can lead to cracking when the stresses eventually exceed the tensile strength of the material. Cracking of repair materials is unarguably one of the major challenges facing the repair industry worldwide today. Cracking can shorten the service life of concrete structures (accelerated corrosion, delamination, etc.) and often requires significant additional costly maintenance. Yet, reliable material data on parameters that influence the longterm service life and cracking in-place shotcrete is scarce. This lack of information on the influence of mixture composition as well as the placement process makes it difficult, if not impossible, to predict the long-term cracking behaviour of shotcrete. Furthermore, key mixture parameters that lead to cracking have been very difficult to identify. For this reason, it has become imperative for material characterization to be made on the basis of a restrained shrinkage test. In this thesis, different fresh and hardened shotcrete properties such as spraying consistency, rebound, compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus, free shrinkage, and restrained shrinkage deformation are investigated. The project focuses particularly on mix designs and compositions, placement process and the potential for cracking due to restrained shrinkage. The shrinkage ring test method which has been recently adapted and improved for shotcrete will be used to evaluate the cracking potential. Based on the experimental data that will be generated, an in-depth analysis of stress development and cracking resistance of shotcrete will be conducted.

La perte de matériaux engendrée par le rebond dans le béton projeté par voie sèche fait l'objet depuis déjà plusieurs dizaines d'années de nombreux travaux de recherche. Jusqu'ici, les efforts de recherche se concentraient sur la composition du mélange de béton ou encore sur l'équipement utilisé. Mais peu d'études traitent l'influence des techniques de mise en place sur l'efficacité de déposition. Fort de ses connaissances sur ce procédé, le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval a décidé de tourner davantage cette étude vers les techniques d'application du béton projeté. Deux tendances sont présentes depuis quelques années dans l'industrie du béton projeté. Sa mise en place s'est orientée vers des applications assistées mécaniquement qui ont amené précisions et contrôle des paramètres mécaniques liés au mouvement de la lance. En parallèle l'industrie a vu le développement de bétons à ultra haute performance ou fibrés qui ont permis de concevoir des éléments de construction à épaisseur réduite et donc économes en ressources mais occasionnant des structures à géométrie complexe que la mise en place par coffrage n'autorise guère. C'est ainsi qu'a germé l'idée de mettre à profit la mise en place du béton projeté mécanique au service de la création de structures complexes et optimisées avec ces matériaux performant. Cette étude comporte donc un double objectif. Le premier est d'acquérir, installer et rendre fonctionnelle une solution robotisée qui, à long terme, permettra de développer un procédé de construction optimisé et autonome de projection pneumatique. Le deuxième objectif est d'étudier à l'aide de ce nouvel outil robotisé, les paramètres de mise en place afin de contrôler, et réduire d'avantage le rebond. Le contrôle précis du mouvement offert par cet équipement a permis de réduire considérablement les quantités de rebonds en explorant des aspects là où aucune donnée dans la littérature ne faisait mention et a remis en cause l'efficacité de certaines pratiques appliquées en béton projeté. / The loss of material caused by rebound in dry-mix shotcrete has been the subject of much research work for several decades now. Until now, research efforts to reduce this rebound have mainly focused on the concrete mix-design or the equipment used. Few studies have addressed the influence of placement techniques on the efficiency of the deposition. Based on its knowledge and in continuity with earlier projects, of its dynamics initiated a few years ago, the shotcrete laboratory of Université Laval decided to orient this study towards the application techniques of shotcrete. Two trends have been present for a few years in the shotcrete industry. Mechanically assisted applications, as hydraulic placement arm, which brought precision and control the movement of the nozzle are more popular. At the same time, the industry has seen the development of ultra-high-performance concrete (UHPC) and some special fiber-reinforced concretes which have allowed the design of construction elements with reduced thickness, therefore saving resources, but resulting in complex geometry structures that the use of formwork hardly allows. This is how the idea was born to combine mechanical shotcrete placement to create complex and optimized structures with these high-performance materials. This study has a dual objective. The first one is to acquire, install and put to work a robotized solution which, in the long term, will allow the development of an optimized and autonomous construction process for pneumatic spraying. The second objective is to study the placement parameters to further control and reduce rebound. he precise control of movement afforded by this equipment has allowed for a significant reduction in the amount of rebound, exploring areas where no data in the literature existed, and has challenged the effectiveness of some sprayed concrete practices.

La perte de matériaux engendrée par le rebond dans le béton projeté par voie sèche fait l'objet depuis déjà plusieurs dizaines d'années de nombreux travaux de recherche. Jusqu'ici, les efforts de recherche se concentraient sur la composition du mélange de béton ou encore sur l'équipement utilisé. Mais peu d'études traitent l'influence des techniques de mise en place sur l'efficacité de déposition. Fort de ses connaissances sur ce procédé, le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval a décidé de tourner davantage cette étude vers les techniques d'application du béton projeté. Deux tendances sont présentes depuis quelques années dans l'industrie du béton projeté. Sa mise en place s'est orientée vers des applications assistées mécaniquement qui ont amené précisions et contrôle des paramètres mécaniques liés au mouvement de la lance. En parallèle l'industrie a vu le développement de bétons à ultra haute performance ou fibrés qui ont permis de concevoir des éléments de construction à épaisseur réduite et donc économes en ressources mais occasionnant des structures à géométrie complexe que la mise en place par coffrage n'autorise guère. C'est ainsi qu'a germé l'idée de mettre à profit la mise en place du béton projeté mécanique au service de la création de structures complexes et optimisées avec ces matériaux performant. Cette étude comporte donc un double objectif. Le premier est d'acquérir, installer et rendre fonctionnelle une solution robotisée qui, à long terme, permettra de développer un procédé de construction optimisé et autonome de projection pneumatique. Le deuxième objectif est d'étudier à l'aide de ce nouvel outil robotisé, les paramètres de mise en place afin de contrôler, et réduire d'avantage le rebond. Le contrôle précis du mouvement offert par cet équipement a permis de réduire considérablement les quantités de rebonds en explorant des aspects là où aucune donnée dans la littérature ne faisait mention et a remis en cause l'efficacité de certaines pratiques appliquées en béton projeté. / The loss of material caused by rebound in dry-mix shotcrete has been the subject of much research work for several decades now. Until now, research efforts to reduce this rebound have mainly focused on the concrete mix-design or the equipment used. Few studies have addressed the influence of placement techniques on the efficiency of the deposition. Based on its knowledge and in continuity with earlier projects, of its dynamics initiated a few years ago, the shotcrete laboratory of Université Laval decided to orient this study towards the application techniques of shotcrete. Two trends have been present for a few years in the shotcrete industry. Mechanically assisted applications, as hydraulic placement arm, which brought precision and control the movement of the nozzle are more popular. At the same time, the industry has seen the development of ultra-high-performance concrete (UHPC) and some special fiber-reinforced concretes which have allowed the design of construction elements with reduced thickness, therefore saving resources, but resulting in complex geometry structures that the use of formwork hardly allows. This is how the idea was born to combine mechanical shotcrete placement to create complex and optimized structures with these high-performance materials. This study has a dual objective. The first one is to acquire, install and put to work a robotized solution which, in the long term, will allow the development of an optimized and autonomous construction process for pneumatic spraying. The second objective is to study the placement parameters to further control and reduce rebound. he precise control of movement afforded by this equipment has allowed for a significant reduction in the amount of rebound, exploring areas where no data in the literature existed, and has challenged the effectiveness of some sprayed concrete practices.

Bien que les pertes engendrées par le rebond en béton projeté ne soit pas une thématique nouvelle, les dernières recherches dans le domaine ont permis de souligner et de quantifier l’importance de ce phénomène du point de vue économique et environnemental. De plus, l’industrie a vu se multiplier au cours des dernières décennies des mélanges de béton à haute technicité, tel les Bétons Fibrés Ultra-haute Performance (BFUP) ou les bétons à ultra-haute résistance initiale. Il ressort du constat actuel que l’équipement disponible en béton projeté par voie sèche ne semble plus tout à fait à même de surmonter les problématiques qui lui incombent, à savoir être capable de projeter tout type de béton, tout en limitant les pertes dues au rebond de façon acceptable. Au cours des dernières années, une démarche instaurée au Laboratoire de Béton Projeté de l’Université Laval a mis au jour un certain nombre de mécanismes se produisant dans le jet de béton en fonction de l’équipement employé. Ainsi, grâce à l’expertise acquise au cours des précédents travaux, ce projet de recherche a pu dépasser la simple observation en agissant directement sur l’équipement, la buse, afin de modifier le flux de matériau. Par la conception et la réalisation d’un anneau de mouillage et d’un embout de lance, il a alors été possible d’atteindre une diminution du rebond allant jusqu’à 50% comparativement aux lances courtes actuellement utilisées, tout en produisant un béton plus homogène. Ces résultats exceptionnels s’appuient essentiellement sur l’homogénéisation du profil de vitesses, élément clé dans l’optimisation du jet. L’équipement développé a par ailleurs permis la projection des bétons à haute technicité mentionnés précédemment. Ce projet ouvre la voie à un grand nombre de perspectives de recherches sur l’équipement, et permet de se rapprocher un peu plus d’une modélisation du rebond à l’échelle du jet. / Although losses due to rebound is not a new topic, the latest studies have highlighted and quantified the magnitude of this phenomenon from an economical and an environmental points of view. Moreover, the industry has seen a multiplication over the past decade of high-tech concrete mixes, such as Ultra High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) or ultra-high early strength concrete. The current situation is that the equipment available for dry-mix shotcrete seems no longer fully adapted to overcome the issues it has to, namely being able to shoot all types of concrete, while minimizing the losses due to rebound. Over the past few years, an approach introduced at the Shotcrete Laboratory at Laval University has uncovered a number of mechanisms that occur in the shotcrete spray depending on the equipment used. Thus, thanks to the acquired expertise during these previous works, this research project has been able to go beyond simple observation by acting directly on the equipment, the nozzle, in order to modify the material spray characteristics. By designing and producing a water ring and a nozzle tip, it has been possible to achieve rebound reduction of up to 50% compared to short nozzles currently used, while producing a more homogeneous concrete. These exceptional results are essentially based on the velocity profile homogenization, a key element in spray optimization. The equipment developed has also made it possible to shoot the high-tech concretes mentioned above. This project paves the way to a large number of research perspectives on the equipment, and allows to get closer to a full modeling of the rebound at the spray-scale level.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 avril 2024) / L'optimisation durable du procédé de projection doit passer inévitablement par la diminution du désavantage le plus conséquent du procédé : le rebond. Pour diminuer efficacement ce dernier, il est primordial de bien comprendre les mécanismes qui régissent le phénomène. Les travaux de recherche antérieurs ont d'abord étudié le phénomène à l'échelle de la particule et ont réussi à produire le premier modèle de rebond. Par la suite, des études analysant le phénomène à l'échelle globale du jet de projection ont réfuté plusieurs des hypothèses de base de ce premier modèle particulaire. Les résultats de ces travaux à l'échelle du jet ont soulevé des interrogations quant au comportement du substrat à l'état frais et son influence sur le rebond. Ces interrogations ont mené à l'élaboration de l'hypothèse d'une zone fluide dans le substrat de béton projeté. La présente étude porte donc sur le comportement du substrat de béton projeté. Pour analyser le comportement, plusieurs essais de rebond de béton projeté par voie sèche ont été réalisés. Ces essais ont d'abord fait l'objet d'une analyse de la stabilité du procédé par voie sèche. Cette analyse a pour but de d'évaluer et réduire l'impact de la variabilité de l'équipement de projection sur la lecture des résultats. Elle a également pour but d'élaborer une méthode objective du traitement des données de rebond. Cette analyse critique des essais abouti à la création d'un nouveau paramètre comparatif des résultats de rebond : le rapport E/L théorique. Les adjuvants à béton étant nombreux et l'investigation des effets de la rhéologie en béton projeté étant limitée, une campagne d'essais de caractérisation rhéologique des bétons projetés est alors réalisée dans le but de déterminer l'effet rhéologique le plus efficace pour diminuer le rebond. Bien que le comportement du substrat soit déterminé par certains paramètres rhéologiques, une autre dimension exerçant une influence considérable sur le rebond doit être prise en compte, soit l'énergie d'impact des particules. L'hypothèse de la zone fluide énonce que l'énergie d'impact des granulats incidents permet d'induire une transition d'état du substrat, passant de l'état élastoplastique à l'état fluide. Les mesures de caractérisation rhéologique ont alors été répétées, cette fois sous sollicitation dynamique afin de reproduire les conditions menant à la transition d'état. Ces mesures ont permis de prouver l'impact d'un apport supplémentaire en énergie menant à la transition vers un état fluide. Cette preuve est la clé vers une diminution substantielle du rebond, mais elle est surtout un outil incontournable à l'amélioration de la compréhension des mécanismes du rebond et à l'élaboration d'un modèle général du phénomène. / Sustainable optimization of the shotcrete process must inevitably involve the reduction of the most significant disadvantage of the process: rebound. To effectively reduce rebound, it is essential to understand the mechanisms that govern the phenomenon. Previous research work first studied the phenomenon at the particle scale and succeeded in producing the first rebound model. Subsequently, studies analyzing the phenomenon at the global scale of the shotcrete spray have refuted several of the basic assumptions of this first particle model. The findings of the spray-scale research raised questions about the behaviour of the substrate in its fresh state and its influence on rebound. These questions led to the hypothesis of a fluid zone in the shotcrete substrate. The present study therefore focuses on the behaviour of the shotcrete substrate. To analyze behaviour, several dry mix shotcrete rebound tests were carried out. These tests underwent an analysis of process stability. The aim of this analysis is to assess and reduce the impact of the shotcrete equipment variability on result reading. It also aims to develop an objective method for processing the rebound data. This critical analysis of the tests led to creating a new comparative parameter for rebound results: the theoretical W/B ratio. As concrete admixtures are numerous and investigation of the effects of rheology in shotcrete is limited, a rheological characterization test campaign of shotcretes is then carried out in order to determine the most effective rheological effect to decrease rebound. Although the behaviour of the substrate is determined by certain rheological parameters, another dimension that has a considerable influence on rebound must be taken into account, namely, the impact energy of the particles. The fluid zone hypothesis states that the impact energy of incident aggregate induces a state transition in the substrate, from elastoplastic to fluid. The rheological characterization measurements were then repeated, this time, under dynamic solicitation to reproduce the conditions leading to the state transition. These measurements proved the impact of additional energy input leading to the transition to a fluid state. This proof is the key to a substantial reduction in rebound but above all it is an essential tool to improve the understanding of rebound mechanisms and developing a general model of the phenomenon.

Depuis plusieurs années, la perte causée par le rebond en béton projeté fait l'objet de préoccupations environnementales. L'optimisation continue de l'équipement et de la mise en place permet de rendre la technique de projection plus efficiente. Le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval enchaine ainsi les projets de recherche afin d'avoir une meilleure compréhension et un contrôle accru du phénomène. Les connaissances acquises dirigent cette recherche vers une caractérisation plus complète de la projection par voie sèche et de son substrat récepteur à l'état frais. Un montage à échelle réduite incluant les avancées récentes de l'équipement a été développé afin d'offrir des avantages technologiques et environnementaux non négligeables. Cette implantation permet de s'affranchir de certains problèmes associés à la méthode traditionnelle à l'échelle 1 :1 et d'évaluer plusieurs mélanges à dosages d'adjuvants variés, et ce, rapidement et sans la production et l'utilisation excessive de matériau. Le béton mis en place de façon gravitaire est généralement caractérisé à l'état frais à l'aide de paramètres rhéologiques. Cependant, les appareils traditionnels de mesures, tel que les rhéomètres, ne peuvent être utilisés en béton projeté par voie sèche à cause la consistance du matériau mis en place. Une méthodologie a alors été proposée afin de pouvoir étudier et de vérifier l'applicabilité des paramètres rhéologiques. La complexité des phénomènes présents lors de la mise en place du béton projeté par voie sèche a cependant montré la difficulté de capturer les effets visés. Cela a permis d'introduire le concept d'historique rhéologique. Le concept d'historique rhéologique présenté permet d'unir plusieurs paramètres théoriques et diverses constatations expérimentales ainsi que de proposer une approche différente de la description du matériau à l'état frais et de sa mise en place. Il identifie deux zones distinctes sur la surface réceptrice par une fréquence énergétique critique. Ces zones sont définies selon l'état du substrat : fluide ou élastoplastique. Ces deux états sont incontournables et se comportent différemment, ce qui nécessite de les caractériser séparément. L'évaluation des propriétés de la couche élastoplastique a ensuite été abordée avec une caractérisation énergétique du matériau. Le concept d'historique rhéologique mène à une évaluation et compréhension plus détaillée du matériau de même qu'à l'optimisation de sa composition et de sa mise en place, qui se matérialisera vraisemblablement à travers une démarche la perspective de modélisation et de prédiction du rebond. / For several years, the loss of material caused by rebound in shotcrete has been the subject of environmental concerns. Continuous optimization of equipment and placement makes the spaying technique more efficient. Université Laval's shotcrete laboratory has been carrying out a number of research projects in order to gain a better understanding and better control over the phenomenon. The knowledge acquired is orienting this research towards a more complete characterization of dry-mix shotcrete and its fresh substrate. A small-scale assembly, including recent technological advances on equipment, has been developed to provide significant technological and environmental benefits. Therefore, this implantation makes it possible to overcome certain problems of the traditional method and evaluate several mix-design with multiple dosages of admixtures quickly and without production and excessive use of material. Cast-in-place concrete is generally characterized in its fresh state using rheological parameters. However, traditional testing devices, such as rheometers, cannot be used with dry-mix shotcrete because of the consistency of the material spayed. Thus, a methodology was proposed in order to study and verify the applicability of rheological parameters. The complexity of the phenomenon present during placement of dry shotcrete, however, has proven this methodology inadequate to successfully capture the sought effects. This permitted to introduce the rheological history concept. The rheological history concept unites several theoretical parameters and experimental observations and offers a different approach for the description of the fresh state material and its placement. It identifies two areas separated by a critical energetic frequency. These areas are defined according to the condition of the substrate: fluid or elastoplastic. These two states are unavoidable and behave differently, which requires characterizing them separately. The evaluation of the elastoplastic layer's properties was approached with an energetic characterization of the material. The rheological history concept leads to a more detailed evaluation and understanding of the material, and the optimization of its composition and placement while bringing closer the perspective of rebound modeling and prediction.

L’impact écologique de la construction des infrastructures est l’une des préoccupations qui occupent le plus les recherches dans le domaine. Des recherches récentes ont montré l’importance des pertes engendrées par le rebond en béton projeté et ont remis cette thématique à l’avant de la scène. C’est dans cette dynamique que le Laboratoire de béton projeté du CRIB de l’Université Laval s’est inscrit en menant de plus en plus de projets afin de mieux comprendre et diminuer ces pertes. Le présent projet s’intéresse particulièrement à la compréhension du phénomène du rebond à l’échelle du jet afin de faciliter et promouvoir les développements sur l’effet de l’équipement et des matériaux choisis sur le rebond. Ce projet est composé de deux parties distinctes, l’une se concentrant sur la mise en place d’un modèle du rebond à l’échelle du jet et l’autre développant un programme d’automatisation de l’acquisition de la distribution des vitesses dans le jet. D’abord, afin de faciliter l’obtention des données expérimentales nécessaires à l’étude à l’échelle du jet, un programme informatique a été développé. Ce programme est basé sur une méthode de calcul du flux optique développé par Blanck & Anadam (1996). À partir de deux images successives, la vitesse des particules est déterminée. En améliorant la qualité des images recueillies et en traitant un grand nombre d’image, une estimation de la distribution des vitesses peut être faite. Les résultats les plus encourageants ont été obtenus lors de projections où la qualité des images capturées a été optimisée. Par ailleurs, un modèle du rebond à l’échelle du jet a été développé en se basant sur des travaux antérieurs en béton projeté. Armelin (1998) a développé un modèle du rebond pour une seule particule basée sur un modèle élastoplastique du substrat et à partir de l’énergie cinétique de la particule incidente. Ensuite, Ginouse (2014) a développé des essais permettant de caractériser cette énergie à l’échelle du jet. En combinant les résultats de ces deux études, nous sommes parvenus initialement à créer un nouveau modèle du rebond à l’échelle du jet dont les résultats sont corrélés avec les résultats expérimentaux, mais dans lequel les valeurs de rebond sont fortement surestimées. Cependant, en introduisant un nouveau concept lié aux variations des propriétés rhéologiques du substrat suite à la vibration amenée par les particules incidentes qui le frappent, une meilleure prédiction du rebond a été atteinte. En conclusion, ce projet a rempli sa mission d’explorer et d’ouvrir la voie à l’automatisation de la mesure de la distribution de vitesses dans le jet, ainsi que de poser les bases et développer un modèle du rebond à l’échelle du jet en tenant compte des variations de propriétés rhéologiques dans les différentes zones du substrat. / The environmental impact of civil engineering construction is one of the main concerns found in most research efforts in the field. Recent research has shown the importance of the amount of waste generated by rebound in the shotcrete process and has emphasized this aspect in this field. The project was undertook at Laval University’s Shotcrete Laboratory and is part of an effort to better understand rebound mechanisms that generate this waste. It investigates the rebound at the spray-scale to help understand how equipment and material choises affect this phenomenon. This project is divided in two distinct portions: a rebound model at the spray scale and the implementation of a program to automate the calculation of the particle velocity distributions in the spray. First, in order to help generate the experimental data required to study rebound at the sprayscale, a computer program has been developed. This program is based on an optical flow method developed by Black & Anadam (1996). From two successive images, particle velocities are calculated. Working with a large number of images and enhancing their quality allowed to approximate the velocity distribution in the spray. The most promising results were obtained during analysis when the image quality was best optimized. A rebound model at the spray-scale was then developed by combining the results of previous research projects in shotcrete. Armelin (1998) was the first to develope a particle-scale rebound model based on an elastoplastic representation of the substrate and on the incident kinetic energy of the particle. Ginouze in 2014 then developed different testing methods that allowed a complete characterization of the shotcrete spray. By combining the results of these studies, a new spray-scale rebound model was created and the results were correlated the experimental results. Rebound values however were strongly overestimated. By introducing an innovative new concept representing the variations of rheological properties of the substrate due to the vibration caused by the incident particles, a better estimation of rebound was achieved. In conclusion, the project fulfilled its exploring mission and opened the way to automated velocity distribution measurement in the spray. Moreover, solid bases of a rebound spray-scale model were established by taking into account the rheological properties variations in the different substrate areas.

Parmi les phénomènes complexes entourant la mise en place du béton projeté, les pertes par rebond du matériau restent au centre des préoccupations. Malgré des améliorations en matière de composition des mélanges et de formation des lanciers, aucune étude ne permet d’évaluer réellement l’effet du type d’équipement et de procédé utilisé sur la qualité du matériau et sur le rebond. À ce jour, la compréhension des mécanismes de rebond repose sur un seul modèle valide uniquement à l’échelle locale d’un granulat. Dans ce contexte, le présent projet s’est attardé à caractériser et étudier davantage les phénomènes contrôlant la mise en place du matériau à l’échelle du jet. Le projet s’est articulé autour de deux axes de recherche visant à caractériser les phénomènes de projection du matériau à la sortie de la lance, pour ensuite s’intéresser aux phénomènes intervenant lors de l’impact du matériau. À l’échelle de la particule, un modèle 1D basé sur la seconde loi de Newton a été développé et a permis d’identifier clairement les paramètres contrôlant l’accélération des particules dans un jet d’air comprimé. L’utilisation d’un système d’imagerie haute vitesse a permis de caractériser pour la première fois le champ des vitesses d’impact produit par 3 types de lances industrielles, et d’en établir l’expression analytique. Pour compléter l’étude des phénomènes de projection, de nouveaux dispositifs expérimentaux ont permis de révéler la distribution spatiale du débit de matériau dans le jet et sur la paroi. L’accumulation en temps réel du matériau et sa consolidation lors de son impact ont également été caractérisées en utilisant un dispositif d’imagerie haute vitesse. Au final, l’étude démontre clairement que les conditions de sortie du matériau au niveau de la lance contrôlent de manière importante l’uniformité des conditions d’impact (vitesse, énergie) et influencent par conséquent celle de la mise en place et de la compaction du matériau sur la paroi. En plus de fournir un nombre important d’outils expérimentaux et d’analyse, cette étude propose une approche novatrice de l’étude du procédé et offre de multiples perspectives de recherche pour des projets futurs. / Among the complex phenomena involved in the placement of shotcrete, material losses through rebound remains an important preoccupation. Despite efforts in mixture design improvements and nozzleman training, there are no studies available that truly evaluate the effect of equipment and placement process on the in-place shotcrete quality and the associated rebound. To this day, our understanding of rebound mechanisms is based on a single model validated only at the aggregate scale. In this context, the present study is aimed at further characterizing and studying the phenomena controlling shotcrete placement at the spray scale. The study is organized around two main aspects: characterising the spraying phenomena at the exit of the nozzle and studying the impact of material on the receiving surface. At the particle scale, a 1D model based on Newton's second law has been developed and has made it possible to clearly identify the parameters controlling the acceleration of particles in a compressed air stream. The use of a high-speed imaging system characterized, for the first time, the velocity fields generated by three different nozzles and proposed the relevant analytical expressions. To complete the study on the spraying phenomena, innovative experimental setups have helped reveal the spatial distribution of the material in the spray and on the receiving surface. The accumulation and consolidation of material on impact has also been illustrated using the high-speed imaging system. In conclusion, the study demonstrates clearly that the conditions prevailing at the exit of the nozzle have a significant effect on the uniformity of the impact conditions (velocities, energy) and will consequently influence those of placement and consolidation of the material on the receiving surface. As well as offering a number of important experimental and analytical tools, this study proposes an innovative approach for the study of the shotcrete process and offers multiple future research perspectives.

La durabilité des infrastructures de béton est un sujet qui suscite aujourd'hui un intérêt grandissant en Amérique du Nord. L'entretien et la réfection de ces structures exigent une part croissante des fonds publics puisque plusieurs ouvrages arrivent à la fin de leur vie utile. Les propriétaires et gestionnaires d'ouvrages demandent donc des réparations durables pour prolonger la durée de vie de leurs infrastructures. Pour qu'une réparation soit efficace et durable, plusieurs aspects sont à considérer: une préparation de surface adéquate, le choix du bon matériau de réparation, et le choix d'une méthode de mise en place appropriée. Le béton projeté s'avère être une technique de mise en place privilégiée pour la réparation des infrastructures en béton car ce procédé est rapide et ne nécessite pas de système de coffrage complexe. Lorsqu'un béton projeté est préconisé dans un devis, que ce soit pour une réparation ou une structure neuve, l'ingénieur doit généralement spécifier une valeur de résistance à la compression minimale (ASTM C1604), et une valeur d'absorption maximale (ASTM C642). L'absorption est un paramètre souvent spécifié afin de s'assurer que le béton projeté rencontre des critères de durabilité suffisants. Contrairement à ce qui apparaît souvent dans la documentation scientifique, il n'y a pas de relation directe entre la résistance en compression d'un béton et son absorption. Les paramètres qui influencent l'absorption d'un béton projeté sont mal compris. Ainsi, pour respecter le critère d'absorption maximale spécifié dans les devis, les concepteurs de mélanges maîtrisent mal les paramètres à modifier et il en résulte un processus de conception qui peut être itératif et peu économique. L'état actuel des connaissances concernant la durabilité du béton projeté est limité. Des critères qualitatifs ont été suggérés, permettant de relier la qualité générale d'un béton projeté à son absorption. Toutefois, ces critères sont basés sur l'expérience, et manquent malheureusement de fondements scientifiques. Bien qu'il soit simple et pratique, ce système de classification n'offre pas d'explication sur la relation entre l'absorption d'un béton projeté et sa durabilité face aux agents agressifs. L'essai d'absorption donne une idée générale du volume des vides capillaires d'un béton, alors qu'il est généralement reconnu que la pénétration d'agents agressifs suit un processus diffusionnel. Ce projet de recherche comporte deux objectifs principaux. D' abord, il s' agit de déterminer l'influence des différents paramètres de projection et des caractéristiques des mélanges sur l'absorption du béton projeté. Ceci permettra l'optimisation de la formulation des mélanges puisque les principes de conception actuels sont essentiellement fondés sur la résistance mécanique et sur le rebond. La seconde partie du travail a comme objectif d' établir un critère d'acceptation des bétons projetés en matière de durabilité. Cette étude tentera d'identifier clairement la relation entre l'absorption d'un béton projeté et ses propriétés de transport. Pour atteindre ces objectifs, le programme expérimental qui a été mis sur pied consiste à produire et caractériser plusieurs mélanges de bétons, tant projetés que mis en place de façon gravitaire. Les résultats démontrent que les principaux paramètres qui influencent l'absorption du béton projeté sont le rapport EIL et le volume de pâte de ciment hydraté. Ce dernier paramètre est toutefois fonction de la granulométrie initiale du mélange. Finalement, il est démontré que l'essai d'absorption n'est pas un paramètre fiable pour prédire la pénétration des ions chlorures dans les matrices cimentaires. Les résultats de cet essai sont faiblement corrélés avec le coefficient de diffusion, qui constitue une propriété de transport fondamentale à l'égard de la durabilité.