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 virage technologique débutant dans le secteur du génie civil a permis la création d'outils et de procédés tournés vers le numérique et l'automatisation. Le béton projeté, qui comprend un grand potentiel d'automatisation, ne doit pas faire exception à la règle puisque l'avancement et l'optimisation des méthodes de production sont clairement poussés en avant par cet élan technologique. Le Laboratoire de béton projeté de l'Université Laval travaille depuis plus de 15 ans sur plusieurs initiatives de recherche visant à comprendre et à améliorer la méthode de mise en place qu'est le béton projeté. Sur cette base de réflexion, un effort de recherche visant à réduire le rebond et à automatiser le procédé par voie sèche avec un bras robotisé a été lancé avec le projet SPARO. Le présent projet de recherche se place dans sa continuité directe, et il s'articule autour de 4 axes principaux : optimisation et compréhension du phénomène de rebond, étude de l'influence de l'automatisation du procédé sur les propriétés du béton projeté durci, amélioration de l'autonomie du procédé et enfin, développement d'une assistance au lancier. La première partie du projet contribue à la compréhension des interactions entre les différentes trajectoires et le rebond, notamment avec l'utilisation de la trajectoire dite planétaire. Elle présente des valeurs de rebond remarquablement faibles et proches de celles obtenues usuellement par voie humide; elle apporte le concept de rebond fondamental du matériau et génère moins de rebonds que la trajectoire « classique » largement adoptée par les lanciers. L'hypothèse soutenue est que la trajectoire optimale est celle qui, pour une consigne d'épaisseur donnée, couvre une surface de taille maximale, tout en s'assurant que chaque portion de cette surface soit impactée, ou excitée, en permanence de façon à dépasser une fréquence énergétique critique du substrat, facilitant la capture des particules. L'étude des propriétés du béton projeté à l'état durci souligne que la technique de mise en place a un effet important sur la résistance en compression. Une diminution de 7% est observée entre la méthode automatisée et un projeteur traditionnel; en revanche, aucun changement n'a été observé pour la porosité. Dans la contribution à l'automatisation globale du système, l'utilisation de la vision numérique a montré des résultats très satisfaisants. Une méthode automatique de mesure de l'épaisseur projetée et de sa correction a été développée à l'aide d'un capteur LIDAR. En parallèle, l'adaptation de certains capteurs a permis de développer un système d'aide au lancier, offrant des renseignements sur l'angle et la distance de la lance par rapport à la surface projeté. / The technological transition in civil engineering has led to the creation of tools and processes oriented towards digitalization and automation. Shotcrete, which presents a great potential for automation, should not be an exception to the trend since the advancement and optimization of production methods are clearly pushed forward by this technological boom. The Shotcrete Laboratory of Université Laval has been working for more than 15 years on several research initiatives in order to understand and improve the shotcrete process. On this basis, a research initiative aimed at reducing rebound and automating the dry process with a robotic arm was launched with the SPARO project. The present research project is in direct continuation. It is organized around 4 main axes, with the optimization and the comprehension of the phenomenon of rebound, the study of the influence of the automation process on the properties of the hardened shotcrete, the improvement of the process's autonomy and, finally, the development of nozzleman assistance. The first part contributes to understanding the interactions between the different nozzle trajectories and rebound, especially with the use of the so-called planetary path. It shows remarkably low values of rebound, close to the one usually obtained with wet-mix shotcrete. It brings the concept of fundamental rebound of the materials and generates less rebound than the "classical" trajectory widely adopted by nozzlemen. The hypothesis supported is that the optimal trajectory is the one that, for a given thickness, covers a surface of maximum size, while ensuring that each portion of this surface is constantly impacted, or excited, so as to exceed a critical energy frequency of the substrate, faciliting the capture of incoming particles. The study of the hardened concrete's properties underlines that the placement technique has an important effect on the compressive strength. A decrease of 7% is observed between the automated method and a traditional sprayer, on the other hand, no changes were observed concerning the porosity. In the contribution to the overall system's automation, the use of computer vision showed very satisfying results. An automatic method for measuring the sprayed thickness and its subsequent corrections has been developed using a LIDAR sensor. In parallel, adapting certain sensors package has made possible the development of a nozzlemen's assistance, giving information on the nozzle’s angle and distance with regards to the sprayed surface.