Titre de l'écran-titre (visionné le 25 octobre 2023) / Ce mémoire est l'aboutissement d'une recherche-création de deux ans sur la conception et la fabrication numérique appliquées à la construction en béton. Les six chapitres qu'il comprend traitent de l'état actuel des méthodes utilisées pour la mise en place de formes complexes en béton, du potentiel des nouvelles méthodes émergentes et finalement, de l'impact potentiel de ces méthodes sur les processus de conception et de fabrication. La recherche-création était une méthodologie de recherche. Elle permettait de concevoir des éléments complexes à mettre en place pour pousser au maximum les limites des méthodes testées et soulever les enjeux architecturaux et constructifs propres à chacune. L'aller-retour créatif entre la conception et la technique permet de valider ou d'invalider de manière directe les possibilités offertes par la fabrication additive pour le coffrage de formes complexes. Ces méthodes incluent -- mais ne se limitent pas à -- l'impression 3D flexible, l'impression 3D soluble et l'impression 3D nylon. Leurs forces et faiblesses sont discutées dans le mémoire, et des recommandations sur les situations optimales à l'utilisation de chacune se retrouvent à la fin de leurs sections respectives. Finalement, on retrouve dans le mémoire des expérimentations, observations et réflexions sur la trace de l'outil et l'augmentation d'échelle. Ces deux sections permettent de comprendre l'ensemble du potentiel architectural concret suggéré par ces nouveaux modes de fabrication. Parfois limitées par les moyens accessibles dans le cadre de cette recherche, des explorations sur les différentes manières de mettre en place des éléments complexe en béton à grande échelle viennent complémenter la recherche théorique à cet égard. La collaboration avec les chercheurs en ingénierie du CRIB de la faculté de génie de l'Université Laval a d'ailleurs été essentielle à la validation de certains de ces éléments théoriques. Finalement, l'objctif de cette recherche était de rassembler un maximum de connaissances théoriques et pratique sur les manières de mettre en place une architecture en béton complexe afin de mettre à jour un paysage technologique en constante évolution. / This thesis is the culmination of a two-year research-creation project on digital design and fabrication applied to concrete construction. Its six chapters address the current state of methods used for creating complex concrete forms, the potential of emerging methods, and ultimately, the potential impact of these methods on the design and fabrication processes. Research-creation was the chosen research methodology, allowing for the design of complex elements to push the limits of the tested methods and raise architectural and construction issues at each step. The iterative process between design and technique directly validates or invalidates the possibilities offered by additive manufacturing for complex formwork. These methods include -- but are not limited to -- flexible 3D printing, soluble 3D printing, and nylon 3D printing. Their strengths and weaknesses are discussed in the thesis, and recommendations for their optimal use in specific situations are provided at the end of their respective sections. Additionally, the thesis presents experiments, observations, and reflections on the tool's trace and the scaling of these processes. These two sections help comprehend the full architectural potential suggested by these new fabrication methods. While limited by the available resources within the scope of this research, explorations on different approaches to implementing large-scale complex concrete elements complement the theoretical research in this regard. The collaboration with engineering researchers from the CRIB at the Faculty of Engineering of Université Laval was essential in validating some of the more theoretical aspects. Ultimately, the objective of this research was to gather a maximum amount of theoretical and practical knowledge in order to update a constantly evolving technological landscape regarding the fabrication of complex concrete architecture.

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.

De même degré d'importance que les paramètres de formulation, les conditions de consolidation sont des facteurs déterminants pour la durabilité des bétons conventionnels vibrés. Dans le cas des bétons autoplaçants (BAP), grâce à leur grande fluidité, la mise en place dans les coffrages a lieu par écoulement libre sous l'effet de leur poids propre. Leur consolidation se fait sans vibration grâce à leurs caractéristiques rhéologiques. Il est donc légitime de penser que, les caractéristiques rhéologiques des BAP peuvent avoir une influence importante sur les propriétés qui déterminent la durabilité. Cette thèse étudie les liens possibles entre les caractéristiques rhéologiques des BAP et leur durabilité vis-à-vis du transport des agents agressifs. Dix-sept formulations de BAP couvrant une large gamme de caractéristiques rhéologiques et se différenciant uniquement par leur dosage en adjuvants ont été étudiées à cet effet. Trois modèles rhéologiques classiques ont été mis en oeuvre pour la détermination des paramètres rhéologiques des bétons étudiés.L'essai de sorptivité et dans une moindre mesure l'essai de carbonatation accélérée ont été utilisés comme indicateur de durabilité vis-à-vis du transport des agents agressifs. La durabilité de la couche superficielle au contact respectivement avec le coffrage en bois et en PVC a été étudiée et les résultats ont été comparés à la durabilité du béton à cœur. Cette étude a été faite en tenant compte des échanges hydriques et de l'arrangement granulaire au droit du coffrage. D'autre part, l'étude de la durabilité de la couche superficielle dans des conditions de mise en place proches du chantier a été faite sur 6 poutres partiellement armées longues de 2 m ainsi que sur 3 bétons semi-autoplaçants légèrement vibrés.Les résultats montrent qu'il existe une corrélation forte entre la viscosité plastique du modèle Bingham modifié ou le coefficient de consistance du modèle Herschel-Bulkley et la sorptivité. Très probablement, la viscosité agit sur le volume relatif des pores capillaires de gros diamètres. L'étude spécifique de la couche superficielle a montré que sa sorptivité dépend du type de coffrage utilisé à cause des éventuels échanges hydriques opérés entre le béton et la surface du coffrage. De plus, l'arrangement granulaire au droit du coffrage est également influencé. Ainsi, la sorptivité de la couche superficielle au contact du PVC est proche mais inférieure à celle du béton à cœur. La sorptivité de la couche superficielle au contact du bois est significativement inférieure à celle de la couche superficielle au contact du PVC tout en restant corrélé avec la viscosité plastique du modèle Bingham modifié ou le coefficient de consistance du modèle Herschel-Bulkley. / Consolidation conditions are determining factors for the sustainability of conventional vibrated concrete as like as formulation parameters. In the case of self-consolidating concrete (SCC), due their fluidity, casting is done by free flow under the influence of their own weight. Consolidation in the forms is done without vibration due to their rheological characteristics. It is therefore reasonable to expect that the rheological characteristics of SCC would have a significant influence on the durability's properties. This thesis examines the possible links between the rheological characteristics of SCC and vis-à-vis durability's transport of aggressive agents. In total, Seventeen SCC mixtures covering a wide range of rheological properties were investigated. Three current rheological models were studied to determine the rheological parameters. In other hand, durability of cover concrete close of site conditions was studied on 6 partially reinforced beams and 3 semi-workable concrete vibrated slightly.Sorptivity test was used as indicator of vis-à-vis aggressive transport durability. The durability of the concrete cover layer in contact respectively with the wooden and PVC frame has been studied and the results were compared with the durability of interior bulk concrete. This study was made taking into account the exchange of water and aggregate arrangement against the formwork.Good correlation between initial plastic viscosity determined by the Bingham modified model or consistency coefficient determined by the Herschel-Bulkley model of SCC and the sorptivity measured during the first hours of testing is established. It is likely that the initial plastic viscosity or consistency coefficient has a marked influence on the volume of the largest capillary pores of concrete, which can significantly affect durability. The specific study of the concrete cover showed that its sorptivity depends on the type of formwork used because of water exchanges made between the concrete surface. Aggregate arrangement against the formwork was also modified. Sorptivity of the concrete cover of PVC is near but below that of the interior bulk concrete. Sorptivity of the concrete cover against wooden frame is significantly less than over of against PVC while being correlated with the plastic viscosity of modified Bingham or consistency coefficient of Herschel-Bulkley model.

Cette recherche s'intéresse aux thèmes de la fabrication numérique, des coffrages complexes et de l'acoustique architecturale qu’elle interrelie par une approche de recherche-création. Son objectif principal est de mettre au point un processus de conception basé sur un critère de performance acoustique et une technique de fabrication pour le béton qui sera applicable pour la génération de projets futurs. Le premier chapitre recense les principales technologies de fabrication numériques pour la réalisation de coffrages non standard pour le béton. Une méthode à explorer est ensuite sélectionnée : les coffrages en cire fraisés par une découpeuse trois axes, une matière réutilisable qui conséquemment ne produit pas de déchets. Le deuxième chapitre s'intéresse à la génération de ces formes complexes en explorant le potentiel de l'acoustique architecturale couplé aux algorithmes génétiques pour les informer. Les sections suivantes ont pour but de développer une méthodologie pour la création de coffrages en cire, tout en définissant les limites et en validant les avantages de ce mode production. L'objectif est de transposer subséquemment ces particularités dans la création d'un algorithme génétique qui automatise le processus itératif de simulation, d'analyse et de création d'une géométrie acoustique non standard optimale. Pour se faire, cette recherche se poursuit par le moulage de prototypes en béton variés d'après lesquels une méthode de fabrication spécifique à la cire est élaborée. Une série de recommandations pour la modélisation propre à ces coffrages résulte de ces essais physiques. En lien avec ces dernières, des algorithmes génétiques, couplés à une simulation par lancer de rayons, sont définis. Ils génèrent un réflecteur acoustique courbe en béton qui distribue uniformément le son vers une aire déterminée, un élément qui exploite le faible coefficient d'absorption de ce matériau. Ces connaissances sont subséquemment appliquées et informées par l'exécution d'un projet de salle de concert en béton qui est le résultat de cette rétroaction entre théorie, pratique et conception. / This research adresses the themes of digital fabrication, complex formwork and architectural acoustics, which it interrelates through a research by design approach. Its main objective is to develop a design process based on an acoustic performance parameter and a fabrication technique for concrete that will be suitable to generate future projects. The first chapter identifies the main digital manufacturing technologies for the production of non-standard concrete formwork. A method to be explored is then selected: wax formwork milled by a three-axis machine, a reusable material that therefore does not produce waste. The second chapter focuses on the generation of these complex forms by exploring the potential of architectural acoustics coupled with genetic algorithms to inform them. The following sections aim to develop a methodology for the creation of wax formwork, while defining the limits and validating the advantages of this production method. The objective is to subsequently transpose these features into the creation of a genetic algorithm that automates the iterative process of simulation, analysis and creation of an optimal non-standard acoustic geometry. To achieve this, the moulding of various concrete prototypes is performed, according to which a specific wax manufacturing method is developed. A series of specific recommendations for the modelling of these formworks results from these physical tests. Pursuant to the previous findings, genetic algorithms coupled with a simulation by ray tracing are defined. They generate a curved acoustic concrete reflector that distributes sound uniformly to a specific area, an element that exploits the low absorption coefficient of this material. This work is subsequently applied and informed by the execution of a concrete concert hall project that is the result of this feedback between theory, practice and design.

Résumé : De même degré d’importance que les paramètres de formulation, les conditions de consolidation sont des facteurs déterminants pour la durabilité des bétons conventionnels vibrés. Dans le cas des bétons autoplaçants (BAP), grâce à leur grande fluidité, la mise en place dans les coffrages a lieu par écoulement libre sous l’effet de leur poids propre. Leur consolidation se fait sans vibration grâce à leurs caractéristiques rhéologiques. Il est donc légitime de penser que les caractéristiques rhéologiques des BAP peuvent avoir une influence importante sur les propriétés qui déterminent la durabilité. Cette thèse étudie les liens possibles entre les caractéristiques rhéologiques des BAP et leur durabilité vis-à-vis du transport des agents agressifs. Dix-sept formulations de BAP couvrant une large gamme de caractéristiques rhéologiques et se différenciant uniquement par leur dosage en adjuvants ont été étudiées à cet effet. Trois modèles rhéologiques classiques ont été mis en œuvre pour la détermination des paramètres rhéologiques des bétons étudiés. L’essai de sorptivité et dans une moindre mesure l’essai de carbonatation accélérée ont été utilisés comme indicateur de durabilité vis-à-vis du transport des agressifs. La durabilité de la couche superficielle au contact respectivement avec le coffrage en bois et en PVC a été étudiée et les résultats ont été comparés à la durabilité du béton à cœur. Cette étude a été faite en tenant compte des échanges hydriques et de l’arrangement granulaire au droit du coffrage. D’autre part, l’étude de la durabilité de la couche superficielle dans des conditions de mise en place proches du chantier a été faite sur 6 poutres partiellement armées longues de 2 m ainsi que sur 3 bétons semi-autoplaçants légèrement vibrés. Les résultats montrent qu’il existe une corrélation forte entre la viscosité plastique du modèle Bingham modifié ou le coefficient de consistance du modèle Herschel-Bulkley et la sorptivité. Très probablement, la viscosité agit sur le volume relatif des pores capillaires de gros diamètres. L’étude spécifique de la couche superficielle a montré que sa sorptivité dépend du type de coffrage utilisé à cause des éventuels échanges hydriques opérés entre le béton et la surface du coffrage. De plus, l’arrangement granulaire au droit du coffrage est également influencé. Ainsi, la sorptivité de la couche superficielle au contact du PVC est proche mais inférieure à celle du béton à cœur. La sorptivité de la couche superficielle au contact du bois est significativement inférieure à celle de la couche superficielle au contact du PVC tout en restant corrélé avec la viscosité plastique du modèle Bingham modifié ou le coefficient de consistance du modèle Herschel-Bulkley. / Abstract : Consolidation conditions are determining factors for the sustainability of conventional vibrated concrete as like as formulation parameters. In the case of self-consolidating concrete (SCC), due to their fluidity, casting is done by free flow under the influence of their own weight. Consolidation in the forms is done without vibration due to their rheological characteristics. It is therefore reasonable to expect that the rheological characteristics of SCC would have a significant influence on the durability’s properties. This thesis examines the possible links between the rheological characteristics of SCC and durability’s transport of aggressive agents. In total, seventeen SCC mixtures covering a wide range of rheological properties were investigated. Three current rheological models were studied to determine the rheological parameters. In other hand, durability of cover concrete close to site conditions was studied on 6 partially reinforced beams and 3 semiworkable concrete vibrated slightly. Sorptivity test was used as indicator of aggressive transport durability. The durability of the concrete cover layer in contact respectively with the wooden and PVC frame has been studied and the results were compared with the durability of interior bulk concrete. This study was made taking into account the exchange of water and aggregate arrangement against the formwork. Good correlation between initial plastic viscosity determined by the Bingham modified model or consistency coefficient determined by the Herschel-Bulkley model of SCC and the sorptivity measured during the first hours of testing is established. It is likely that the initial plastic viscosity or consistency coefficient has a marked influence on the volume of the largest capillary pores of concrete, which can significantly affect durability. The specific study of the concrete cover showed that its sorptivity depends on the type of formwork used because of water exchanges made between the concrete surface. Aggregate arrangement against the formwork was also modified. Sorptivity of the concrete cover of PVC is near but below that of the interior bulk concrete. Sorptivity of the concrete cover against wooden frame is significantly less than over of against PVC while being correlated with the plastic viscosity of modified Bingham or consistency coefficient of HerschelBulkley model.

Pour pallier les désagréments liés aux méthodes actuelles de décoffrage, une nouvelle technique basée sur la polarisation du béton a été développée. Le principe, basé sur le phénomène de l’électro-osmose, consiste à appliquer un potentiel électrique entre le ferraillage et le coffrage induisant ainsi le déplacement de l’eau vers l’interface béton/coffrage au niveau duquel se forme un film d’eau en mesure d’éviter l’adhérence du béton avec le coffrage. Ce dispositif a permis également de vérifier la mise en place et la reproductibilité du béton par le biais de la résistance électrique. Une étude de faisabilité a mis en évidence le déplacement de l’eau interstitielle ainsi que la possibilité de décoffrage. Afin d’assurer une bonne qualité des parements et du décoffrage, les paramètres de polarisation (valeur de la tension, moment et durée de son application) ont été optimisés en fonction de la température ambiante et de la formulation du béton. Pour une température supérieure à 20±2°C, les conditions de polarisation sont identiques quelle que soit la formulation du béton. A des températures inférieures à 20±2°C, l’ajout de l’accélérateur de prise a été à chaque fois nécessaire et la valeur de la tension à appliquer a dû être augmentée. L’ensemble des résultats a montré que l’épaisseur du film d’eau et la valeur de la conductivité du béton déterminent la qualité des parements et du décoffrage. L’application des conditions optimales donne des parements de qualité similaire, voire meilleure dans certains cas, que celle des parements obtenus avec les huiles actuellement utilisées.Forts de ces résultats, la technique a été transposée in-situ et a donné des résultats satisfaisants. / To overcome the inconveniences of current demoulding methods, a new technique based on the concrete polarization has been developed. The principle, based on the phenomenon of electro-osmosis, is to apply an electric potential between the reinforcement and formwork leading to water displacement to the concrete/formwork interface where a film of water, able to avoid the adhesion of the concrete with the formwork, is formed. This device also allowed verifying the casting and reproducibility of the concrete by using electrical resistance. A feasibility study proved the interstitial water displacement and demolding possibility. To obtain a good quality of facing and demolding, the polarization parameters (voltage value, time and duration of its application) have been optimized according to room temperature and concrete formulations. For temperatures above 20 ± 2 °C, the polarization conditions are the same for all the concrete formulations. At temperatures below 20 ± 2 °C, the addition of the accelerator was required at each time and the value of the applied voltage had to be increased. All results showed that the thickness of water film and the conductivity value of the concrete determine the quality of the concrete facings and demolding. The application of the optimal conditions provides a similar quality of concrete facings or even better in some cases, than those obtained with the demoulding oils currently used.With these results, the technique has been transposed in-situ and it gave satisfactory results.

Dans un contexte où le développement durable est devenu une priorité majeure, les entreprises du secteur du bâtiment doivent faire face, à de nouvelles exigences en termes de respect de l’environnement. En particulier, lors de la mise en œuvre du béton dans les coffrages, une huile de démoulage d’origine minérale faiblement biodégradable est couramment utilisée comme couche séparatrice anti-adhérente. La nature de cette huile génère des risques importants de pollution environnementale. De nouvelles formulations d’huile de décoffrage d’origine végétale ont ainsi été développées.L’apparition de cette nouvelle gamme de produit nécessite une connaissance suffisante de leur comportement à l’interface béton/huile/coffrage. Ce mémoire contribue à l’étude de l’influence de la formulation du béton sur le comportement tribologique à l’interface béton/coffrage en présence de deux huiles de démoulage de nature différente (une huile végétale et une huile minérale). La zone du béton à l’approche du coffrage a été étudiée à l’état durci et frais sans huile de démoulage. Tout d’abord, l’évolution de la densité apparente du béton à l’approche d’une paroi a été évaluée en fonction de la pression de contact et du volume de pâte. Puis, une analyse complète de cette zone à l’interface à l’état frais a été réalisée afin d’estimer le rapport E/L et la quantité de pâte mobilisée à l’approche de la paroi coffrante. Une étude physico-chimique a été effectuée en reconstituant les milieux interstitiels de l’interface béton/huile/coffrage contenant un dosage différent en superplastifiant et en huile. Plusieurs techniques adaptées à ces milieux complexes, ont été utilisés afin d’évaluer la formation de savons et de déterminer la stabilité des émulsions obtenues. Cette thèse se conclue par une étude du frottement du béton frais contre une paroi coffrante avec et sans huile de démoulage à l’aide d’un tribomètre plan/plan. Plusieurs formulations de béton sont étudiées. Les résultats obtenus ont permis de comprendre le mode d’action des éléments fins et le dosage en superplastifiant aux interfaces béton/coffrage et béton/huile/coffrage. Dans le cas de l'huile d'origine végétale, le savon formé à partir des esters et des acides gras contribue à réduire les frottements en stabilisant l’émulsion et en organisant l’interface. Cependant, la présence du superplastifiant est indispensable pour avoir des performances élevées dans le cas de l’huile minérale. / In a context where sustainable development has become a major priority, the companies in the building field must face to new requirements in terms of respect of the environment. In particular, during the concrete pouring, a mineral release agent, poorly biodegradable is currently used as separating layer non-stick. The nature of this oil creates significant risks of environmental pollution. New formulations of release agent of vegetable origin were developed.The appearance of this new product range requires a sufficient knowledge of their behavior at the interface concrete/release agent/formwork. This report contributes to the study the effect of the concrete composition on the tribological behavior at the interface concrete/formwork with two release agents of different nature (vegetable release agent and mineral release agent). The zone of concrete near the formwork was studied without release agents. First, the evolution of the density of the concrete at the approach of a wall was evaluated as a function of the contact pressure and the past volume. Then, a comprehensive analysis of this fresh layer was carried out to estimate the W/B ratio and the amount of paste mobilized close to the formwork. A physicochemical study was performed by reconstituting the interstitial medium of the interface concrete/release agent/formwork containing a different dosage of oil and superplasticizer. Several adapted techniques to these complex medium were used to evaluate the formation of soaps and to determine the stability of the obtained emulsions. This thesis ends with a study of the friction of fresh concrete against the formwork with and without release agent using a plan/plan tribometer. Many formulations of concrete are studied. The results were allowed to understand the mechanism of action of the fines element and the dosage of superplasticizer at the interfaces concrete/formwork and concrete/release agent/formwork. In the case of vegetable release agent, the soap formed from the esters and fatty acids contributes to reduce the friction by stabilizing the emulsion and organizing the interface. However, the presence of the superplasticizer is necessary to obtain a high performance for the mineral release agent.