Pendant la période de dégel, les chaussées subissent une diminution significative de leur capacité portante, ce qui conduit à une augmentation de la détérioration au cours de cette saison. Le Ministère des Transports du Québec impose une restriction des charges pendant le dégel et la récupération structurale de la chaussée pour assurer une protection contre les dommages excessifs liés au dégel. L’objectif principal de ce projet est de présenter les résultats d’une enquête sur le comportement de la structure de la chaussée pendant le gel et le dégel dans des conditions contrôlées au laboratoire de l’Université Laval à l’aide d’un Simulateur de Véhicules Lourds (SVL). Les résultats de l’étude seront utilisés pour développer des critères d’aide pour les autorités dans le processus de prise de décision pour la mise en place et l’enlèvement de la restriction des charges. Une structure typique de chaussée souple à quatre couches a été construite dans une fosse d’essai faite en béton à l’Université Laval. La section de la chaussée a été instrumentée pour mesurer les déformations horizontales dans la couche du béton bitumineux, ainsi que la contrainte et la déformation verticale, et la teneur en eau dans toutes les couches non-liées et dans le sol d’infrastructure. La température a été également suivie dans toutes les couches. Le nouveau SVL a été utilisé pour appliquer une charge de 5000 kg (conditions normales), 5500 kg (hiver) et 4000 kg (restriction des charges printanière) sur un assemblage standard d’un essieu à pneu jumelé. Le simulateur a également été utilisé pour induire trois cycles de gel-dégel jusqu’à une profondeur de 1,5 m dans la structure de la chaussée. Les résultats ont permis de quantifier la relation entre la réponse de la chaussée et la profondeur de gel/dégel et d’identifier les conditions critiques de la période de dégel. Aussi, les résultats ont montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Cependant, pour optimiser la période de restriction de charges, de nouveaux critères de gestion ont été proposés dans ce projet. / During the spring thaw period, pavements experience a significant decrease of their bearing capacity, which leads to increased deterioration during that season. The Ministry of Transportation of Quebec enforces load restrictions during the thawing and the recovery of the pavement structures to ensure they are protected from excessive thaw associated damages. The main objective of this paper is to present the results of an investigation of the structural behaviour of a pavement structures during freezing and thawing under laboratory controlled conditions using the Laval University heavy vehicle simulator (HVS). The results of the study will be used to develop criteria to assists the authority in the decision-making process for the implementation and the removal of load restrictions. A typical four-layer flexible pavement structure was built inside an indoor concrete test pit at Laval University. The pavement section was instrumented to monitor horizontal strains in the asphalt concrete layer as well as vertical stress, vertical strain, and water content in each unbound layer and in subgrade soil. Temperature was also monitored in all layers. The new HVS was used to impose 5000 kg (normal conditions), 5500 kg (winter) and 4000 kg (spring load restrictions) loads on a standard dual-tire assembly. The load simulator was also used to induce three freeze-thaw cycles to a depth of 1,5 m in the pavement structure. The results allowed quantifying the relationship between pavement response and freezing/thaw depth and to identify the critical conditions of the thawing period. Also, the results showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. However, to optimize the load restriction period, new management criteria have been proposed in this project.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / L’utilisation de systèmes de béton chauffant électriquement conducteur en conditions hivernales constitue une alternative intéressante pour prolonger la durée de vie des structures et pour assurer la mobilité et la sécurité des usagers de la route. En remplaçant certaines composantes conventionnelles du béton, il est possible d’augmenter suffisamment sa conductivité électrique pour que ce dernier dégage de la chaleur lors du passage d’un courant électrique. L’utilisation de ce type de système dans des zones à grande sensibilité hivernale est une option pour remplacer les techniques présentement utilisées pour le déneigement et le déglaçage souvent mauvaises pour l’environnement, inefficaces, endommagent les structures en plus d’être très coûteuses. Néanmoins, le succès d’un tel système demande une bonne élaboration du mélange de béton électriquement conducteur et une configuration d’électrodes permettant un dégagement de chaleur uniforme. L’automatisation par des capteurs augmente l’efficacité énergétique du système en activant ce dernier seulement quand le besoin se manifeste, c’est-à-dire en conditions de chute de neige, de pluie verglaçante ou de brouillard givrant. L’objectif principal de ce projet de recherche est de développer un système automatisé de fonte de neige et de glace en optimisant les recettes de béton et la position des électrodes précédemment mentionnés vers des solutions économiques et efficaces. Dans ce mémoire, le développement de mélanges de bétons et de mortiers électriquement conducteurs sera développé, en plus de l’élaboration d’une configuration d’électrodes rencontrant des critères de sécurité et de consommation énergétique. Ces réalisations par étapes en laboratoire seront suivies par des essais en conditions réelles hivernales sur un prototype de 1.1m² installé sur le campus de l’Université Laval. Les succès de ce travail de recherche présentent des résultats et confirment le côté innovateur et le potentiel commercial du système élaboré. / The use of electrically conductive heated concrete systems in winter conditions is an interesting alternative to extend the life of structures and to ensure the mobility and safety of road users. By replacing some conventional components of concrete, it is possible to increase its conductivity sufficiently to release heat when electric current passes through it. Using this type of system in strategic points can be an option to replace techniques currently used for snow and ice removal, which are bad for the environment, are not effective, cause damage to structures and are very expensive. Nevertheless, the success of such a system requires a good elaboration of the electrically conductive concrete mix design and a configuration of electrodes that releases heat uniformly. Sensor automation increases the energy efficiency of the system by activating the latter only when the need arises, i.e. under snowfall, freezing rain or freezing fog conditions. The main objective of this research project is to develop an automated snow and ice melting system using the previously mentioned concrete and electrodes. In this thesis, the development of electrically conductive concrete and mortars mix designs will be presented, in addition to the development of an electrode configuration that meets criteria of safety and energy consumption previously established by the searchers. These laboratory steps will be followed by tests in real winter conditions on a 1.1m² prototype installed on Laval University’s campus. The successful results confirm the innovative side and commercial potential of the developed system.

Ce mémoire présente les résultats de l’étude de l’adhérence entre les barres en polymères renforcés de fibres de Basalte (PRFB) et le béton. Cinquante-quatre cylindres renforcés par des barres en PRFB et dix-huit cylindres renforcés par des barres en polymères renforcés de fibres de fibres de Verre (PRFV) ont été testés par le test d’arrachement. Les paramètres des tests incluent le type de la barre utilisée, le diamètre de la barre, la longueur d’ancrage et le nombre de cycles de gel-dégel (100 et 200 cycles). Les courbes adhérence-glissement des barres en PRFB et PRFV révèlent la même tendance. Les influences des différents paramètres sur l’adhérence ont été analysées. Les modèles analytiques BPE, BPE-modifié et CMR ont été calibrés pour décrire la relation adhérence-glissement des barres en PRFB. Les résultats montrent la capacité des barres en PRFB à remplacer les barres en PRFV dans le renforcement des structures. / This thesis presents the test results of a study on the bond behavior of basalt fiber-reinforced polymers (BFRP) bars in concrete. Forty-five cylinders reinforced with BFRP bars and eighteen cylinders reinforced with glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars were tested in direct pullout conditions. Test parameters included the FRP material, the bar diameter, the bar’s embedment length in concrete and the number of freeze-and-thaw cycles (100 and 200 cycles). Bond-slip curves of BFRP and GFRP bars revealed similar trend. All BFRP specimens failed in a pullout mode at the bar-epoxy interface. The influence of various parameters on the overall bond performance of BFRP bars is analyzed. The BPE, modified-BPE, and CMR analytical models were calibrated to describe the bond-slip relationships of BFRP bars. Results demonstrate the promise of using BFRP bars as an alternative to GFRP bars in reinforcing concrete elements.

Dans un contexte climatique rigoureux comme celui du Québec, l’interaction entre la charge et le climat a une grande influence sur la performance des structures de chaussées flexibles (Doré et Zubeck, 2009). Pendant le dégel printanier, avec la fonte de la glace, la chaussée s’affaiblit et cet affaiblissement la rend vulnérable à la sollicitation par le trafic lourd ce qui accélère divers phénomènes de dégradation, notamment l’endommagement par fatigue et l’orniérage structural (Farcette, 2010). Afin de minimiser les effets des charges lourdes sur une chaussée affaiblie lors du printemps, les administrations routières choisissent souvent de limiter les charges par essieu ou par véhicule lors du dégel. L’objectif de ce projet est de développer un outil d’aide pour la gestion des restrictions de charge en période de dégel en fonction des données recueillies par les stations de météo routière. Deux sections expérimentales composées des mêmes matériaux mais avec des épaisseurs d’enrobés bitumineux différentes situées au Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL) ont été utilisées pour ce projet. Pour bien interpréter le comportement des structures, des jauges de déformations verticales et horizontales, des jauges de contraintes, des jauges de teneur en eau et des thermistances ont été installées dans chaque couche. Pour solliciter mécaniquement la chaussée, un déflectomètre à masse tombante (FWD) a été utilisé. Les résultats obtenus ont permis de de bien comprendre les mécanismes d’affaiblissement de la chaussée durant la période de dégel. Ils ont aussi montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Néanmoins, pour une meilleure gestion du réseau routier, de nouveaux critères pour mieux déterminer la période de restriction de charges sont proposés. / In strict climatic conditions such as in Quebec, the interaction between load and climate has a great influence on the performance of flexible pavement structures (Doré and Zubeck, 2009). During the spring thaw, when ice melts, the weakening of the pavement makes it vulnerable to solicitation by heavy traffic, speeding various phenomena of degradation, including fatigue damage and structural rutting (Farcette, 2010). In order to minimize the effects of heavy loads on a pavement weakened by the spring, road authorities often choose to limit axle loads or vehicle upon thawing. The purpose of this project is to develop a tool for load restrictions management in thaw period based on data gathered by the road weather stations. Two experimental sections built with the same material but with different thicknesses of asphalt concrete located at Laval University Experimental Road Site (SERUL) were used for this project. Each layer of the tested sections was instrumented with strain, stress, moisture, and temperature sensors. A falling weight deflectometer (FWD) was used to simulate heavy loads. The results obtained made it possible to understand the mechanisms of pavement weakening during the thaw. They also showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. Nevertheless, for better management of the road network, new criteria to better determine the load restriction period are proposed.

Cette thèse présente le développement d’une méthode d’ingénierie pour la modélisation de la consolidation au dégel non linéaire à grandes déformations. Les travaux qui y sont présentés s’inscrivent à la suite des théories et de modèles de consolidation existants. Les bases de la théorie de consolidation au dégel à une dimension sont donc reprises. En premier lieu, un modèle numérique de consolidation au dégel non linéaire à grandes déformations est formulé en combinant la théorie de consolidation à grandes déformations de Gibson et des équations de transferts de chaleur. Ces deux composantes sont couplées au sein d’un domaine de modélisation défini en coordonnées lagrangiennes qui s’adaptent aux déformations de sol. Il en résulte donc l’introduction d’une seconde frontière mobile à la surface pour la modélisation de la consolidation au dégel en plus de la frontière mobile au front de dégel. Le modèle utilise des relations non linéaires σʹ_v – e – k_v pour définir les propriétés des sols dégelés. Une étude de cas du pipeline expérimentale d’Inuvik est réalisée avec le modèle numérique. Cette étude de cas permet de démontrer l’utilisation du modèle pour un problème pratique et de valider le modèle. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats de la théorie de consolidation au dégel linéaire à petites déformations et aux mesures de terrain. Le modèle non linéaire à grandes déformations offre une augmentation importante de la précision lors du calcul des tassements de fonte, du taux de tassement et des pressions interstitielles excédentaires. En second lieu, un modèle conceptuel pour la consolidation au dégel des sols dégelés à grains fins est proposé. Ce modèle permet de définir les caractéristiques des relations σʹ_v – e – k_v utilisées comme intrants au modèle numérique de consolidation au dégel. Le concept de la contrainte résiduelle y est généralisé aux sols riches en glace en spécifiant qu’il s’agit de la contrainte effective au sein des éléments de sol plutôt que de la contrainte effective globale du sol. Ensuite, des relations empiriques sont formulées pour déterminer les caractéristiques des relations σʹ_v – e – k_v à partir de l’indice des vides initial du sol dégelé et de propriétés d’indice du sol. / This thesis presents the development of an engineering method for the modelling of large strain nonlinear thaw consolidation. The work presented herein follows existing thaw consolidation theories and models. The foundations of one-dimensional thaw consolidation theory are therefore used. First, a numerical model for large strain nonlinear thaw consolidation is formulated by combining the Gibson large strain consolidation theory to heat transfer equations. The two components are coupled in a modelling domain formulated in Lagrangian coordinates that adapts to the soil deformation. This results in the introduction of a second moving boundary at the soil surface to model thaw consolidation in addition to the moving boundary at the thaw front. The model uses nonlinear σʹ_v – e – k_v relationships to define the properties of thawed soils. A case study of the Inuvik experimental pipeline with the numerical model is presented. The case study demonstrates the use of the model for a practical problem and it is used to validate the model. The modelling results are compared to the results obtained with the small strain linear thaw consolidation theory and with the field data. The results obtained with the large strain nonlinear model for thaw settlement, the rate of thaw settlement and the excess pore pressures compare favourably with the field data. Second, a conceptual model for thaw consolidation of thawed fine-grained soils is proposed. The model is used to define the characteristics of the nonlinear σʹ_v – e – k_v relationships used as input for the numerical modelling of thaw consolidation. The concept of the residual stress is generalized to ice rich soils by specifying that it is the effective stress within the soil element rather than the effective stress of the bulk soil. Then, empirical relationships are formulated to determine the characteristics of the σʹ_v – e – k_v relationships as a function of the initial thawed void ratio and soil index properties.

Depuis plusieurs années, les changements climatiques ont une grande influence sur la dégradation du pergélisol, laquelle impacte directement la stabilité des infrastructures. Le Nunavik est la partie nord de la province de Québec où il n'y a pas de routes ou de voies ferrées reliant les villages. Le transport aérien et maritime est donc essentiel pour assurer la communication entre les villages et le reste de la province. La construction de remblais de transport affecte inévitablement le régime thermique du sol et peut entraîner une dégradation thermique du pergélisol sous-jacent, ce qui entraîne une perte importante des capacités structurelles et fonctionnelles de l'infrastructure. Pour réduire les impacts du dégel du pergélisol sur les infrastructures de transport, plusieurs techniques de protection ont été développées. Ces différentes techniques sont basées sur la réduction de l’apport de chaleur sous l’infrastructure et sur l’augmentation de l’extraction de chaleur du remblai. Ce document présente l’’analyse des résultats d'un suivi à long terme de trois sites adaptés en utilisant des données climatologiques et des données sur la température du sol présentées graphiquement avec des analyses détaillées et la validation de la stabilité thermique avec des abaques de conception. À Tasiujaq les trois méthodes de mitigation qui ont été installées dans la pente du remblai de la piste d’atterrissage sont le remblai à pente douce, le remblai à convection d'air et le drain thermique, et les résultats de l’analyse démontrent comment la pente douce a la meilleure performance, dans les conditions de climat à Tasiujaq. À la piste d'atterrissage de Puvirnituq, le projet étudie un remblai à convection d'air, et conclue que la hauteur actuelle du remblai permet de garantir la stabilité thermique en laissant une marge de sécurité pour les futurs changements climatiques. Sur la route menant à l’aéroport de Salluit, la méthode de mitigation du pergélisol à l'étude est un drain thermique selon les analyses effectuées, la stabilisation thermique n'était pas nécessaire, mais elle a été bénéfique en offrant une grande marge de sécurité à cette importante infrastructure. / For several years now, climate change has had a major influence on the degradation of permafrost, which has a direct impact on infrastructure stability. Nunavik is the northern part of the province of Quebec where there are no roads or railways connecting the villages. Air and marine transportation are therefore essential to ensure communication between the villages and the rest of the province. The construction of transportation embankments inevitably affects the thermal regime of the ground and can lead to thermal degradation of the underlying permafrost, resulting in a significant loss of structural and functional capacity of the infrastructure. To reduce the impacts of permafrost thawing on transportation infrastructure, several protection techniques have been developed. These different techniques are based on reducing the heat input under the infrastructure and increasing the heat extraction from the embankment. The analysis of the results of a long-term monitoring of three test sites is presented in this document. In Tasiujaq, the three mitigation methods that have been installed in the slope of the airstrip embankment are a gentle slope embankment, an air convection embankment and a heat drain, and the results of the analysis demonstrate how the gentle slope performs best under Tasiujaq's climate conditions. At the Puvirnituq airstrip, the project is studying an air convection embankment, finding that the current height of the embankment provides thermal stability by leaving a one-metre safety margin for future climate change. On the road to the Salluit airport, the permafrost mitigation method under study is a heat drain, which, according to the analyses performed, was not necessary in terms of heat balance, but was beneficial in generating a large safety margin for this important infrastructure.

L’écaillage de la surface du béton dû aux sels fondants est un phénomène dont les mécanismes sont relativement peu connus. Plusieurs publications et plusieurs recherches se sont penchées sur cette problématique de durabilité du béton. Encore aujourd’hui, aucune théorie prise individuellement ne permet d’expliquer entièrement les causes de ce phénomène et le rôle protecteur d’un bon réseau de bulle d’air sur les bétons qui sont dans des conditions à risque. À prime à bord, les tests sous leur forme actuelle, peuvent sembler moins bien adaptés lorsque l’utilisation de liant ternaire est préférée au liant avec seulement du ciment Portland. Cette recherche s'intéresse donc à valider la sévérité du test d’écaillage BNQ 2621-905 lorsqu’on utilise des liants ternaires. Ce projet se penche également sur l’effet du type et la durée de la cure, du type de superplastifiant utilisé, de la variation du L ̅ et de l’utilisation d’un granulat marginal sur les résistances à l’écaillage des bétons avec liant ternaire. Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet démontrent qu’il est possible d’avoir des résultats qui satisfont la norme d’écaillage BNQ 2621-905 avec des paramètres de formulations d’un béton de type V-S avec presque tous les liants ternaires utilisés. De plus, lorsque le réseau d’air est de bonne qualité (L ̅ < 230 µm) l’utilisation de superplastifiant PCP ou PNS ne semble pas d’avoir d’effet marqué. Le facteur d’espacement, actuellement prescrit dans la norme CSA A23.1, moyen inférieur à 230 µm avec aucune valeur dépassant 260 µm permet d’obtenir de bons résultats à l’écaillage en laboratoire pour le liant C. Finalement, l’utilisation d’un granulat marginal au micro-Deval peut avoir un effet sur la quantité de débris de surface d’un échantillon soumis au gel-dégel.

Un des défis de la recherche appliquée au génie civil est l'optimisation de la durée de vie des matériaux et structures ainsi que la mise au point de méthodes de certification rapides, peu coûteuses et sûres. Dans ce contexte, la politique de surveillance des ouvrages d'art instaurée en France à partir du début des années 1980 a mis en évidence des dégradations dues à l'action du froid dans plusieurs régions et notamment en montagne. Par conséquent, un bon nombre de gestionnaires d'ouvrages sont confrontées aux conséquences, quelquefois très pénalisantes, des cycles de gel-dégel sur la durabilité du béton.<br />L'endommagement par le froid est une combinaison d'une micro-fissuration interne et d'un écaillage de surface. Ce dernier est largement augmenté en présence des sels de déverglaçage couramment utilisés afin de permettre une bonne praticabilité des routes en période hivernale.<br />L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce mémoire est l'approfondissement de nos connaissances sur le comportement au gel-dégel de surface d'une structure poreuse en vue d'une prédiction de son comportement et de l'identification de paramètres matériaux clés relatifs à sa pérennité hivernale.<br />Pour cela, nous avons tout d'abord mené une étude à l'échelle du matériau afin de déterminer la (ou les) relation(s) permettant de caractériser à l'échelle macroscopique l'état de gel du milieu poreux à une température donnée. Dans le cas d'un système réversible, la relation mesurable entre la proportion de glace de glace formée et la température, identifiable à une fonction d'état thermodynamique, est suffisante. Afin de la mesurer, un dispositif basé sur une méthode capacitive a été mis au point. L'utilisation de cette méthode repose, dans le cas d'un matériau poreux partiellement gelé, sur le contraste entre la constante diélectrique réelle de l'eau (entre 80 et 100) et de la glace Ih (environ 3) dans le domaine des hautes fréquences radio (entre 10 et 100 MHz) et pour des températures comprises entre -40°C et 0°C. Ainsi, tout changement de phase en milieu poreux se traduit par une variation sensible de la constante diélectrique globale du matériau testé et la proportion volumique de glace formée peut être estimée par un schéma d'homogénéisation multi-échelles.<br />La comparaison entre les résultats de gel-dégel obtenus par ce dispositif et ceux provenant de tests de sorption-désorption permet de conclure sur la prédictibilité de l'état de solidification d'un milieu poreux par des tests routiniers de sorption-désorption d'eau.<br />Etant en mesure de caractériser l'état de gel du milieu poreux soumis au froid, il devient possible d'étudier, par une approche macroscopique de type poromécanique des milieux continus, son comportement mécanique. Le scénario de comportement retenu est basé sur le couplage entre l'augmentation volumique de 9% accompagnant la transformation de l'eau en glace, les transferts d'eau non gelée au sein du réseau poreux et le comportement thermomécanique de chaque constituant. L'étude menée se limite au problème linéarisé d'une structure unidimensionnelle soumise à l'action du froid en surface. De plus, l'hypothèse des petits déplacements et des petites déformations est adoptée, ce qui borne strictement cette étude à l'apparition de la première fissure.<br />L'utilisation de ce modèle permet : (1) d'identifier l'origine de l'endommagement de surface (ou écaillage) observé expérimentalement sur des échantillons de ciments soumis à des cycles de gel-dégel sous fort gradient thermique, (2) de quantifier le rôle protecteur des vides d'air vis-à-vis de la résistance à l'écaillage.

Les matériaux cimentaires peuvent se détériorer grandement lorsqu'ils sont soumis à des cycles de gel/dégel avec ou sans sels de déverglaçage. Ceci peut porter atteinte à la durabilité à long terme des bétons/mortiers dans les régions aux hivers froids. Laissant de côté les processus d'endommagement et de rupture mécanique à l'oeuvre dans de tels problèmes, ce mémoire de thèse est consacré aux phénomènes physiques et thermo-mécaniques accompagnant la solidification de l'eau dans des solides poreux cohésifs, avec une attention particulière aux «propriétés matériau» issues de l'hydratation du ciment et de l'évolution de la microstructure. Ce travail reprend la poromécanique des milieux poreux partiellement gelés telle que développée par Olivier Coussy, tout en lui adjoignant une analyse de l'effet de la fin de la surfusion (en volume, hors contribution capillaire) et de la présence de sels dans le liquide saturant l'espace poreux. Nous avons mesuré la température de fin de surfusion en fonction de la concentration en sel. Ceci nous permet ensuite de calculer l'angle de contact entre la glace et les parois des pores dans le cadre classique de la nucléation hétérogène : on trouve que cet angle diminue avec la concentration en sel. Nous montrons que la dilatation instantanée consécutive à la fin de la surfusion dépend de la structure poreuse puisque cette dernière détermine la teneur en glace dans l'espace poreux. À l'aide de la distribution de tailles de pores estimée par porosimétrie par intrusion de mercure, nous estimons le degré de saturation en glace en fonction de la température et de la concentration initiale en sel via la relation de Gibbs-Thomson. Nous avons mesuré la déformation d'échantilllons de pâte de ciment saturées. L'analyse poromécanique montre que la déformation dépend de la concentration initiale en sel et de la structure poreuse des pâtes de ciment. En utilisant la même approche expérimentale sur des pâtes de ciment sèches, nous trouvons que la porosité (avec ou sans vide d'air entraîné) influence significativement le coefficient d'expansion thermique du matériau. En ce qui concerne les pâtes de ciment saturées, les mesures expérimentales et l'approche poromécanique en condition drainée ou non-drainée montrent que le degré de saturation initiale en liquide des vides d'air entraîné a un impact important sur la déformation de l'échantillon avec la température / When subject to freezing/thawing cycles with or without deicing salt, cement-based materials can suffer severe damage, which raises the long term sustainability problem of concrete/mortar in cold regions. Leaving aside the precise fracture mechanics and damage processes in this kind of problem, this PhD deals with the physical and thermomechanical phenomena undergone by cohesive porous solids under freezing, with particular attention to the material properties arising from cement hydration and microstructure development. The present work revisits the poromechanics of freezing porous materials developed by Olivier Coussy. This gives the opportunity to add the effect of the bulk supercooling and of salt in the liquid saturating the porous space.We measured the relation between depressed temperature at the end of bulk supercooling and salt concentration. We then obtained that the contact angle between ice and pore wall by heterogeneous nucleation decreases as salt concentration increases. We showed that the instantaneous dilation at the end of bulk supercooling is related to the pore structure because the latter determines the in-pore ice content. Using the pore size distribution measured by mercury intrusion porosimetry, we estimated the ice saturation degree with temperature and NaCl solution at different concentration through the Gibbs-Thomson equation. We measured the deformation of saturated cement pastes. The poromechanical analyses show that the strains depend on the initial salt concentration and pore structure of our cement pastes. By the same experimental approach on dried cement pastes, we concluded that the porosity (with or without air voids) has significant influence on the thermal expansion coefficient of our cement pastes. We also performed measurements on the deformation of saturated air entrained cement pastes. The results obtained by both experiments and poromechanical analyses under drained and undrained conditions showed that the initial saturation degree in air-voids has significant influence on the deformation curves with temperature

La modélisation physique en enceinte de gel est utilisée pour analyser les impacts du réchauffement climatique sur l'évolution des paysages en contexte périglaciaire. Les données expérimentales nous montrent (i) l'importance des conditions de saturation de la couche active dans le déclenchement des mécanismes lents et rapides des sols et (ii) l'impact des perturbations des régimes thermiques et hydriques du sol qui modifient à la fois les taux d'érosion et la dynamique des versants périglaciaires. - Lors de précipitations modérées, cryoexpulsion, cryoreptation/gélifluxion et glissements gravitaires sont autant de processus intervenant dans la modification de la morphologie du versant (érosion régressive). - Lors de précipitations intenses, les processus d'érosion rapide type coulées de débris deviennent prédominants, accélérant la dégradation du versant. Ils s'initient systématiquement (i) au niveau des pentes les plus fortes et (ii) en présence d'un pergélisol qui limite l'infiltration de l'eau en profondeur et joue le rôle de plan de glissement. Les taux d'érosion les plus forts sont enregistrés au cours des précipitations les plus intenses. Ces résultats devraient (i) constituer une aide précieuse pour établir une méthodologie de mesure in situ des systèmes périglaciaires et (ii) améliorer la connaissance sur l'évolution morphologique des versants, lorsque le réchauffement climatique augmente à la fois la profondeur du toit du pergélisol et la quantité d'eau apportée aux versants lors des dégels de printemps. Le travail doit désormais se focaliser sur le contrôle exercé par la dynamique de saturation du sol sur les processus d'érosion de versant.