Certaines structures hydro-électriques au Québec subissent un vieillissement prématuré causé par la réaction alcalis-silice (RAS). Cette pathologie entraîne l'expansion, la fissuration, et la dégradation des propriétés mécaniques du béton, en plus d'occasionner des problèmes opérationnels. Ce projet de maîtrise s'intègre dans le cadre d'un programme de recherche collaboratif avec Hydro-Québec, qui a comme but de prédire les comportements expansifs ainsi que l'évolution de l'endommagement des structures hydroélectriques atteintes par cette pathologie, afin d'ultimement prolonger leur durée de vie utile. Cette étude a plus précisément comme objectif de caractériser l'évolution des propriétés mécaniques, l'endommagement et l'expansion d'un béton de masse en particulier atteint par la RAS, en plus de déterminer si ces paramètres présentent un caractère anisotrope. Des éprouvettes de béton de composition similaire au béton du barrage à l'étude, dont certaines sont caractérisées par une orientation des particules du gros granulat perpendiculaire, et d'autres parallèle (issues d'un forage vertical et horizontal) à la direction de consolidation, ont été placées en conditions propices au développement de la RAS. Par groupe de six, ces éprouvettes ont été retirées de cet environnement à l'atteinte de différents niveaux d'expansion, afin de réaliser des essais de résistance en compression, Stiffness Damage Test (SDT) et une analyse pétrographique. Une série de référence incorporant un granulat non réactif a aussi permis d'évaluer l'impact du surdosage en alcalis sur les propriétés mécaniques du béton. Tel qu'attendu, l'expansion présente un fort caractère anisotrope, mais qui n'est en revanche pas nécessairement relié à l'orientation des particules du gros granulat. L'évolution des paramètres de sortie du SDT s'est révélée isotrope pour des niveaux d'expansion inférieurs à 0,20%, et anisotrope au-delà de ce seuil. La résistance en compression n'a quant à elle subi aucune réduction avec l'avancement de la RAS, et semble présenter un caractère isotrope à tous les niveaux d'expansion.

Un outil informatique, appelé « Laval Reliability Toolbox 2 » (LRT2), a été développé afin d’évaluer, en fonction du temps, l’évolution de l’indice de fiabilité d’un pont en béton armé selon divers paramètres d’utilisation et d’endommagement. L’outil présenté innove en considérant la fiabilité des états limites ultimes de flexion et de cisaillement des poutres ainsi que le poinçonnement de la dalle. Les différents éléments structuraux forment un système utilisé pour représenter le mode de défaillance du pont. Un modèle d’endommagement permet de simuler l’évolution dans le temps des propriétés d’une structure soumise à la corrosion causée par l’application de sels déglaçants : la corrosion cause une diminution du diamètre des barres d’armatures touchées et la délamination du béton d’enrobage. L’outil développé a été utilisé pour comparer la fiabilité de ponts à simple travée ayant deux, trois, cinq et six poutres soumis à différents scénarios d’endommagement. Il est aussi démontré qu’il est pertinent d’étudier les poutres dans leur ensemble puisque la fiabilité des différents états limites varie le long de celles-ci. Il est démontré que le fait d’ignorer les corrélations entre les éléments structuraux surestime la fiabilité de structures peu redondantes, modélisées par des systèmes en série, et sous-estime la fiabilité de structures redondantes, modélisées par des systèmes mixtes. L’étude des scénarios d’endommagement met en évidence l’existence de sections et de modes de rupture qui, si endommagés, influencent grandement la fiabilité de la poutre. Enfin, des cycles de performance peuvent être définis afin de déterminer la durée de vie d’un pont, c’est-à-dire de déterminer le moment où il atteindra son indice de fiabilité cible et de déterminer les moments où certains endommagements surviendront. Cette méthodologie pourrait, à terme, constituer une aide à la gestion des structures visant à faciliter le choix des interventions prioritaires. / A computer program, named « Laval Reliability Toolbox 2 » (LRT2), was developed in order to evaluate a time-variant reliability index for a reinforced concrete bridge while considering various usage and damage parameters. This tool pioneers by considering the reliability of three ultimate limit states: flexure and shear for beams and punching shear for the slab. In order to represent the failure mode of the bridge, system reliability analysis is used to model the structure as a system. A damage model predicts in time the properties of a structure undergoing corrosion caused by the application of de-icing salts: corrosion causes a reduction of the rebar’s diameter and spalling of the concrete cover. This computer tool was used to compare the reliability of bridges with two, three, five and six girders undergoing different damaging scenarios. Results show the importance of considering a spatial-variant reliability index for a girder. It is also shown that ignoring possible correlation among structural elements overestimates the reliability of low-redundant structures, modelled as series systems, and underestimates the reliability of high-redundant structures, modelled as complex systems. The study of homogeneous and non-homogeneous damaging scenarios shows the existence of corrosion-sensitive sections and failure modes that, if damaged, affect significantly the reliability of the bridge. Lastly, performance cycles were defined in order to evaluate the life service of a bridge, which is to estimate the time when the bridge will get below its target reliability index and to estimate when certain damages will occur. This type of methodology enables the prediction of a structure’s lifetime performance; it could facilitate the management of structures operations by making possible the comparison of multiple bridges performance.

Cette thèse porte sur l'étude de l'efficacité d'adjuvants à base de lithium pour contrer la réaction alcalis-silice dans le béton (RAS). Les principaux objectifs étaient les suivants: (1) évaluer la performance d'une solution de UNO₃ et d'un verre de lithium pour contrer la RAS avec l'aide de l'essai sur prismes de béton d'une durée de deux ans à 38°C (CSA A23.2-14A ou ASTM C 1293) et à jusqu'à neuf mois à 60°C (essai modifié), (2) modifier l'essai accéléré sur barres de mortier (CSA A23.2-25A ou ASTM C 1260) afin de permettre l'évaluation de l'efficacité de ces adjuvants, et (3) étudier les mécanismes à l'origine de l'efficacité du lithium. Pour ce faire, les essais de laboratoire mentionnés plus haut ont été réalisés sur une sélection de granulats réactifs représentant différents faciès (types de roches) à travers le Canada et les Etats-Unis. Les essais sur prismes de béton démontrent que le LiNO₃, à un ratio molaire [Li]/[Na+K] de 0,74, permet de réduire l'expansion sous la limite de 0.04% après deux ans à 38°C, avec six des douze granulats testés; trois autres granulats exigent un dosage entre 0,74 et 1,11. Un dosage jusqu'à 1,11 n'est pas suffisant pour les trois derniers granulats. Le dosage requis varie donc d'une source de granulats à l'autre et ne peut être relié au type de granulats ou à son degré de réactivité. Le verre de lithium en poudre ne s'est pas du tout avéré efficace. Les ajouts cimentaires testés en parallèle aux adjuvants à base de lithium (à titre comparatif) se sont montrés efficaces s'ils ont une composition appropriée et s'ils sont utilisés à un dosage adéquat. Leur combinaison avec le LiN03 n'a pas démontré d'efficacité supplémentaire. L'expansion des éprouvettes de béton conservées pendant six mois à 60°C présente une bonne corrélation avec celle des prismes testés pendant deux ans à 38°C, mais seulement pour les mélanges témoins. Une version modifiée de la méthode accélérée sur barres de mortier ASTM Cl260 (ou CSA A23.2-25A), d'une durée de 28 jours, est proposée pour évaluer le ratio [Li]/[Na+K] efficace à utiliser dans le béton pour contrer la RAS. Cette méthode prédit ce ratio pour les granulats répondant relativement bien au LiN0₃ et identifie les granulats qui répondent moins bien à ce produit (i.e. ceux qui nécessiteront l'utilisation d'un dosage significativement supérieur au dosage « standard » de 0,74 recommandé par le manufacturier. Des analyses au microscope électronique à balayage (MEB), par spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS), par diffraction X et sous lumière ultra-violette ont été réalisées sur divers échantillons de bétons, de mortiers, de granulats et de particules réactives. L'analyse comparative des résultats de ces essais suggèrent que la réduction ou la suppression de la dissolution de la silice, et ce, pour une autre raison que la réduction du pH ou la formation d'une couche protectrice sur les phases réactives, est le mécanisme le plus probable pour expliquer l'efficacité du LiN0₃ contre la RAS. Ce mécanisme demeure toutefois inexpliqué.

La dégradation des matériaux poreux par l'intrusion d'une solution saline est connue depuis longtemps, mais demeure aujourd'hui un phénomène complexe à étudier en raison des multiples paramètres à considérer. Ce document propose des pistes d'amélioration du comportement des matériaux cimentaires afin de s'intégrer dans le cadre plus vaste de la prédiction du comportement des matériaux cimentaires face à la formation de phases expansives dans leur structure poreuse. La première partie de cette thèse se consacre à la revue bibliographique de la dégradation par l'action externe des sulfates et dresse le cadre général de l'étude des milieux poreux et du transport hydrique ainsi que le principe de dégradation par croissance d'un cristal de sel dans un milieu poreux. La stratégie de recherche qui en résulte s'articule autour de deux campagnes expérimentales. La première concerne l'application de la microfluidique, science qui mesure le comportement des fluides à l'échelle du micron, pour améliorer notre compréhension des phénomènes de saturation et de séchage d'un matériau poreux selon diverses solutions. Deux types de dispositifs ont été envisagés soit par lithographie au plasma et par érosion chimique après altération d'un substrat de verre par le passage d'un faisceau laser concentré. La seconde campagne expérimentale s'attache à l'analyse de matériaux cimentaires soumis à des solutions agressives diverses et dans des conditions de variation hydriques afin d'évaluer la combinaison de dégradations physico-chimiques par réactions chimiques avec les hydrates et par précipitation de sels. Finalement, un modèle de transport réactif multiphasique est présenté ainsi qu'une nouvelle approche basée sur la répartition de la distribution poreuse pour calculer les pressions induites à différentes échelles matériau. Le système d'équations appliqué à la poromécanique est alors développé en vue d'une résolution numérique des pressions générées par expansion d'une phase. Pour conclure ce document, des perspectives de modification des normes relatives aux attaques sulfates sont entrevues et de nouvelles avenues possibles grâce à l'émergence de nouvelles technologies sont esquissées. Des propositions de développement additionnel du modèle sont également adressées. / The degradation of porous materials by the intrusion of saline solution is known for centuries but still nowadays remains a complex phenomenon to be considered. This thesis proposes ways of improving the behavior of cementitious materials in order to integrate into the larger framework of predicting the behavior of cementitious materials in the face of the formation of expansive phases in their porous structure. This document is divided into five main parts. The first two parts are devoted to the bibliographic review of the degradation by the external action of sulfates and establish the general framework of the study of porous media and water transport as well as the principle of degradation by an expansion of a crystal salt into a porous medium. The resulting research strategies are centered around two experimental campaigns and the establishment of a poromechanical model with reactive transport model. The third part concerns the application of microfluidics, innovative science that measures fluid behavior at the micron scale, to improve our understanding of the saturation and drying phenomena of a porous material exposed to various saline solutions. Two types of devices are studies either by plasma lithography and by chemical erosion after the alteration by the passage of a concentrated laser beam of a glass substrate. The fourth part deals with the analysis of cementitious materials exposed to various aggressive solutions and wetting/drying condition in order to combine chemical reactions with hydrates and salts precipitation. The fifth part sets up a multiphasic reactive transport model and a new approach based on the pore size distribution repartition to calculate the pressures induced on pore walls at several material scales. Poromechanics equation system is then developed to solve pressure generation for numerical resolutions of the degradation. Finally, ideas to improve the standards for understanding the interaction of sulfates and possible new avenues through the advent of new technologies are outlined. Additional development proposals for the model are also addressed.

Dans la foulée de la mondialisation, le développement agricole a été axé selon un seul critère, celui de l’intensification des facteurs de production. Ce qui est responsable du paradigme de l’agriculture intensive au détriment des considérations environnementales. Les effluents stockés dans des ouvrages de rétention en béton subissent des transformations sous l’action des bactéries et sont le siège de la production d’acide organique, agents potentiellement agressifs pour la matrice cimentaire. Ce travail avait pour vocation principale la détermination de la formulation adéquate du liant résistant en milieu agricole. L’ensemble des essais réalisés vise à décortiquer les paramètres contrôlant la durabilité de la matrice cimentaire face à l’agressivité des acides organiques des effluents d’élevage. À cette fin, des échantillons de pâtes et/ou mortiers de liants ordinaires et spéciaux ont été immergés dans une solution d’acide acétique simulant l’agressivité des effluents d’élevage. L’influence des ajouts cimentaires suivants : laitier, métakaolin, fumée de silice et cendre volant, a été mis en œuvre. Des essais de lixiviation et d’immersion ont été réalisés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la résistance chimique des pâtes tout en décortiquant les mécanismes de dégradation des matrices cimentaires. Des analyses par porosimétrie au mercure, absorption atomique, diffraction des rayons-x (DRX) ont été réalisées. Les résultats montrent que l’attaque se traduit par une zonation chimique et minéralogique. La durabilité des liants ordinaires ainsi que du ciment alumineux est limitée sachant que l’effet de la durée de cure s’avère primordiale surtout pour les liants à hydratation latente. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la quantification des phases anhydres et des hydrates des liants présentant les meilleures performances chimiques. La quantification des anhydres a été réalisée par dissolution chimique, résonance magnétique nucléaire (R.M.N.) et traitement d’images. Par contre, la quantification des hydrates a été réalisée par thermogravimétrie (T.G.A.). Les résultats montrent que la stabilité des phases est dépendante des leurs compositions chimiques. L’évaluation de la résistance à la compression de cubes de mortiers sains et dégradés en solution acide a montré une amélioration nette principalement du mortier contenant du métakaolin par rapport au mortier ordinaire. Le suivi du temps d’initiation de la corrosion des armatures des mortiers au laitier et des mortiers au métakaolin a été réalisé par des mesures électrochimiques non-destructives (potentiel de corrosion, polarisation linéaire). Les mortiers au métakaolin présentent les temps d’initiation les plus longs contrairement à ceux au laitier où la forte porosité des échantillons favorisant des chemins de percolation de la solution agressive même à des cures avancées, rend l’initiation de la corrosion des armatures presque immédiate. / In the wake of the globalization, agricultural development has focused on a single criterion, the intensification of production factors. Therfore, the paradigm of intensive agriculture at the expense of environmental considerations was founded. Effluent stored in concrete retention structures are transformed under the action of bacteria to organic acids, potentially aggressive agents to the cement matrix. This work was mainly designed to determine the adequate formulation of the resistant binder in an agricultural environment. All the realized tests aim to define parameters that control the durability of the cement matrix submitted to the aggressiveness of organic acid of manure. Cement pastes and/or mortars samples of ordinary and special binders was immersed in an acetic acid solution simulating the aggressiveness of manure. The influence of mineral additions include: slag, metakaolin, silica fume and fly ash has been implemented. Leaching and immersion tests have been achieved. Initially, we were interested on the chemical resistance of pastes by analyzing the degradation mechanisms of cement matrix. The analyses were performed by mercury intrusion porosimetry, atomic absorption and x-ray diffraction (XRD). The results show that acidic attack results in a chemical and mineralogical zonation. The durability of ordinary binders and alumina cement is limited given that the effect of the curing period is essential especially for binders having a latent hydration. We were also interested to the quantification of the anhydrous and hydrate phases for binders having the best chemical performance. The quantification of the anhydrous phases was realized by chemical dissolution, nuclear magnetic resonance (NMR) and image processing. However, the quantification of the hydrates was realized by thermogravimetry (T.G.A.). The results show that stability of phases is dependent on their chemical compositions. The evaluation of the compressive strength of sound and altered mortar cubes showed a marked improvement mainly for mortar containing metakaolin compared to the ordinary mortar. The evolution of corrosion of reinforced mortars containing slag or metakaolin was followed by non-destructive electrochemical measurements (corrosion potential and linear polarization). Metakaolin mortars present the best resistance to initiation of corrosion. However, the high porosity of samples containing slag, favoring paths of percolation of acid solution even in advanced cured time, makes the initiation of reinforcement corrosion almost immediately.

La réaction alcalis-silice (RAS) est une des causes principales de détérioration précoce des bétons utilisés dans la fabrication des infrastructures. La RAS, qualifiée de cancer du béton, est une réaction se produisant entre les hydroxydes alcalins de la solution présente dans les pores de la pâte de ciment hydratée et certaines phases minérales siliceuses des granulats. Cette réaction engendre la formation d'un gel expansif qui absorbe des molécules d'eau et diverses espèces ioniques de la solution interstitielle, créant ainsi une pression entraînant la microfissuration interne du béton, la macrofissuration de surface et ultimement, dans certains cas, une réduction significative de la durée de vie utile de l’élément atteint. Ce type de réaction touche un grand nombre de structures au Québec, au Canada et à travers le monde; un des principaux problèmes lié à ce phénomène est qu’il est très difficile de réparer de façon efficace les structures affectées par ce " cancer ". Les essais normalisés A23.2-27A et 28A de l'Association Canadienne de Normalisation (CSA) (2009); (CSA) (2009) proposent diverses mesures préventives afin d'éviter que ne se développe la RAS dans les nouvelles structures de béton. Ces mesures incluent l'utilisation d'ajouts cimentaires ou l’utilisation d’adjuvant chimique à base de lithium. C’est en fait dès le début des années 50 que deux chercheurs ont démontrés que l'utilisation d’adjuvants chimiques à base de nitrate de lithium (LiNO3) tendait à diminuer efficacement l’expansion associée à cette réaction chimique nuisible (McCoy et Caldwell (1951)). Les mécanismes proposés permettant d’expliquer l’efficacité du lithium afin de contrer la RAS sont multiples. Selon Tremblay et al. (2010), certains ont été investigués davantage et certains sont plus probables que d’autres. Ce mémoire portera sur la présentation des différents indices pétrographiques de détérioration permettant d’expliquer l’efficacité du LiNO3 afin de contrer la RAS. Pour ce faire, des essais de laboratoire effectués sur des éprouvettes de béton ainsi que des barres de mortier contenant diverses concentrations en LiNO3 seront présentés. Les indices de détérioration obtenus, un mécanisme pourra être élaboré.

Ce travail porte sur le comportement structural des réparations minces en béton soumises aux chargements mécaniques monotones et cycliques. L'objectif est l'étude des mécanismes susceptibles d'engendrer l'apparition et la propagation de fissuration au niveau de l'interface. L'étude s'intéresse particulièrement à l'influence du mode de sollicitation sur la fissuration interfaciale et à la durabilité des éléments composites La méthodologie repose sur trois étapes expérimentales. La première concerne le comportement structural d'une vaste gamme de configurations d'éléments composites en considérant une méthode unique de préparation de surface. La seconde met l'accent sur le rôle de cette préparation sur les mécanismes de décollement. La dernière aborde la sensibilité du comportement des structures composites en présence de défaut de collage. Les résultats montrent que lorsque le plan interfacial est suffisamment rugueux ([alpha]rugo [supérieur ou égal à] 10 [degré]), il n'y a pas de décollement quel que que soit le type de sollicitation. Globalement, les résultats obtenus démontrent que les réparations minces adhérentes en béton se comportent très bien lors des chargements monotones et cycliques et que dans des conditions de mise en oeuvre adéquates et avec des matériaux de qualité, elles constituent une alternative de réhabilitation viable et pertinente dans plusieurs situations.

La corrosion des armatures en acier est l'un des mécanismes les plus destructifs pour les structures en béton armé. La corrosion nuit non seulement à l'intégrité structurale et à l’aptitude au service de la structure endommagée, mais peut aussi entraîner des défaillances inattendues ou des ruptures fragiles. Malgré les dispositions rigoureuses de la plupart des codes de pratique pour éviter la corrosion, des signes de dommages dus à la corrosion sont toujours signalés. Récemment, des systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibre (MCRF) ont été proposés comme une technique innovante de renforcement/réparation pour les structures en béton afin de surmonter les inconvénients associés à l'utilisation des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF). Bien que l'utilisation de composites MCRF pour renforcer les éléments en béton non endommagés ait prouvé son efficacité, très peu est connu sur la viabilité de leur utilisation pour renforcer les éléments en béton endommagés à divers niveaux dus à la corrosion. De plus, les comportements de post-réparation et la durabilité à long-terme des éléments corrodés et renforcés par les systèmes MCRF et qui seront probablement exposés aux mêmes conditions environnementales qui prévalaient avant leur réparation, n'ont pas retenu l'attention des chercheurs dans la littérature. De plus, la plupart de nos infrastructures, telles que les ponts et garages de stationnement, sont susceptibles d'être endommagées par la corrosion tout en étant soumises à des charges oscillatoires qui provoquent de la fatigue. À ce jour, aucune information n'est disponible sur l'effet de la combinaison de la charge de fatigue et de la corrosion dans les structures renforcées par les systèmes MCRF. Dans ce travail, les comportements monotones et de fatigue en flexion des poutres en béton endommagées par la corrosion et renforcées par des systèmes MCRF ont été étudiés en plus de leur performance à long-terme, c'est-à-dire après une exposition à un environnement corrosif après leur renforcement. Le travail comprend des investigations expérimentales et numériques. Les prédictions analytiques et les formulations théoriques actuellement disponibles dans les codes de conception ont été aussi vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux. Le programme expérimental consistait à tester trente (30) poutres en béton à grande échelle de 150 × 250 × 2800 mm. Les poutres ont été construites et testées en configuration de charge à quatre points. Un processus accéléré de corrosion a été utilisé pour corroder les armatures d'acier en traction dans le tiers central des poutres. Les paramètres d'essai comprenaient le niveau de corrosion (représenté par 10, 20 et 30% de perte de masse dans l'acier de traction), le type de système de renforcement utilisé (Polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF), MCRF de carbone et PRF), la quantité de composites MCRF (1, 2, 3 et 4 couches), le schéma de renforcement MCRF (couches ancrées aux extrémités par rapport aux couches continues sous forme U) et le régime de chargement (monotone et fatigue). Les résultats des tests ont montré que l'utilisation de composites MCRF améliorait significativement le comportement en flexion des poutres corrodées. Les composites MCRF ont contrôlé le mode de défaillance des poutres renforcées plutôt que le niveau de corrosion des barres d'acier. Les poutres renforcées par la MCRF ont montré une augmentation de leurs résistances ultimes variant entre 7 et 65% de celles des poutres vierges (poutres ni corrodées ni renforcées) en fonction du type, de la quantité et du schéma de la MCRF utilisée. L'exposition des poutres réparées par la MCRF à d’autres cycles de corrosion a entraîné une réduction de 23% de la perte de masse de l'acier. Le schéma en U était plus efficace que le schéma d'ancrage aux extrémités à retarder le délaminage des couches de MCRF dans les poutres renforcées et testées à court terme. Il a également atténué l'effet des fissures de corrosion longitudinales et, par conséquent, a augmenté l'efficacité du renforcement MCRF. Les essais de fatigue ont montré que la corrosion des barres d'acier diminuait considérablement la résistance à la fatigue des poutres non renforcées. Le renforcement avec des composites MCRF a augmenté la durée de vie en fatigue des poutres endommagées par la corrosion de 38 à 377% de celle des poutres corrodées non-renforcées. Cependant, le renforcement par MCRF n'a pas restauré la durée de vie en fatigue des poutres vierges. Dans l'étude numérique réalisée dans ce travail, des modèles d'éléments finis (ÉF) tridimensionnels (3D) ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des poutres corrodées et renforcées par des composites MCRF et PRF à l'aide du progiciel ATENA-3D. Les résultats de l'analyse numérique étaient en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement en termes de modes de défaillance, de déformations, de capacités de charge et de flèches. Les modèles ÉF développés ont été capables de capturer le comportement non-linéaire des poutres testées avec une bonne précision. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étudier l'effet de la résistance à la compression du béton et de l'épaisseur de recouvrement des armatures sur l'efficacité de renforcement des systèmes composites. Il a été observé que la rupture des poutres renforcées par des FRCM était indépendante de la résistance à la compression du béton ou de l'épaisseur de de recouvrement et était régie uniquement par le glissement du tissu dans la matrice. Sur le plan analytique, les équations de conception de l’ACI-549.4R-13 (ACI 2013) ont été évaluées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations théoriques de l’ACI-549.4R-13 peuvent raisonnablement prédire les résistances ultimes des poutres renforcées ancrées à l'extrémité mais sous-estimer celles des poutres ancrées en continu sous forme U. Un facteur de schéma de 1,1 a ensuite été proposé pour calculer la résistance nominale des poutres renforcées par MCRF sous forme U. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et cinq conférences, comme détaillé tout au long de la thèse. / Corrosion of steel reinforcement is one of the most destructive mechanisms for reinforced concrete (RC) structures. Corrosion not only impairs the structural integrity and the serviceability of the damaged structure, but it may also lead to unexpected and brittle failures. Despite the rigorous provisions of most codes of practice to avoid corrosion, evidences of corrosion damage are still being reported. Recently, fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems were proposed as an innovative strengthening/repair technique for RC structures to overcome the drawbacks associated with the use of the well-documented fiber-reinforced polymer (FRP) systems. While the use of FRCM composites to strengthen un-damaged RC members has proven its efficiency, very little is known about the viability of their use to retrofit RC members with various levels of corrosion damage. In addition, the post-repair performance and the long-term durability of the FRCM-strengthened corroded members, which most likely will be exposed to the same environmental conditions that have prevailed prior their repair, have not received attention in the literature. Moreover, most of our infrastructures such as bridges and parking garages are susceptible to corrosion damage while continuously being subjected to oscillatory loads that cause fatigue. To date, no information is available about the effect of combining fatigue loading with corrosion in FRCM-strengthened structures. In this work, the monotonic and fatigue flexural behaviors of corrosion-damaged RC beams strengthened with FRCM systems were investigated in addition to their long-term performance, i.e. after further exposure to corrosive environment following their strengthening. The work includes experimental and numerical investigations. The analytical predictions and theoretical formulations that are currently available in the design codes have been verified against the experimental results. The experimental program consisted of testing thirty (30) large-scale RC beams of 150×250×2800 mm. The beams were constructed and tested under four-point load configuration. An accelerated corrosion process was utilized to corrode the bottom steel reinforcement in the middle third of the test specimens. The test parameters included the level of corrosion damage (represented by 10, 20, and 30% mass loss in the tensile steel), the type of the strengthening system used (Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM), C-FRCM, and FRP), the amount of FRCM composites (1, 2, 3, and 4 layers), the FRCM strengthening Scheme (end-anchored versus continuously wrapped layers), and the loading regime (monotonic and fatigue). The test results showed that the use of FRCM composites significantly enhanced the flexural behavior of the corroded beams. FRCM governed the failure mode of the strengthened beams rather than the level of corrosion damage of the steel bars. FRCM-strengthened beams showed an increase in their ultimate strengths that ranged between 7 and 65% of that of the virgin (neither corroded nor strengthened) beam based on the type, amount, and Scheme of the FRCM used. Exposing the repaired beams to post-repair corrosion resulted in 23% reduction in the steel mass loss. The U-wrapped scheme was more efficient than the end-anchoring scheme in delaying the delamination of the FRCM plies in the short-term repaired beams. It also mitigated the effect of the longitudinal corrosion cracks and consequently increased the post-repair strengthening effectiveness of FRCM systems. Fatigue tests showed that corrosion of steel bars dramatically decreased the fatigue life of the unstrengthened-beams. Strengthening with FRCM composites increased the fatigue life of the corrosion-damaged beams by 38 to 377% of that of the corroded-unstrengthened beams. However, FRCM strengthening did not restore the fatigue life of the virgin beams. In the numerical study carried out in this work, three-dimensional finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the corroded beams strengthened with FRCM and FRP composites using the software package ATENA-3D. The results of the numerical analysis were in good agreement with those obtained experimentally in terms of failure modes, strains, load-carrying capacities, and deflections. The developed FE models were able to capture the non-linear behavior of the tested beams with good accuracy. A parametric study was then conducted to investigate the effect of concrete compressive strength and thickness of concrete cover on the strengthening effectiveness of the composite systems. It was observed that failure of RCM-strengthened beams was independent of the compressive strength of concrete or the thickness of the concrete cover and was governed only by fabric slippage within the matrix. Analytically, the design equations of ACI-549.4R-13 (ACI 2013) were assessed using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the theoretical formulations of CI-549.4R-13 can reasonably predict the ultimate strengths of the end-anchored strengthened beams but underestimated those of continuously-anchored beams. A scheme factor of 1.1 was then proposed to calculate the nominal strength of beams strengthened with continuously-wrapped shape of FRCM. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles and five conferences, as detailed throughout the thesis.

L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux matériaux isolants bio-sourcés pour le bâtiment qui contribuent à réduire leurs impacts environnementaux. Les matériaux développés doivent avoir une faible énergie grise et une faible empreinte carbone. Ils doivent également contribuer à réduire les besoins énergétiques des bâtiments tout en assurant un confort hygrothermique élevé des utilisateurs. Tout d'abord, des matières premières d'origine agricole (chènevottes, anas de lin, paille de blé, paille de colza et rafles de maïs) sont caractérisées d'un point de vue chimique, physique, hygrothermique et mécanique, dans la perspective de développer des composites bio-sourcés destinés à l’isolation des bâtiments. Leur composition chimique se révèle intéressante pour le développement d'un liant vert. Une étude visant à évaluer cette aptitude est donc réalisée. A l'issue de cette dernière, deux liants correspondants à des extractions réalisées sur les rafles de maïs et sur les fines de lin sont retenus. D'autres liants provenant de l’industrie sont également sélectionnés pour la confection de composites. Puis des composites sont fabriqués pour étudier l'influence des granulats, du liant, de la granulométrie des granulats, de la réalisation d'un pré-traitement alcalins des granulats et de la pression de compaction appliquée lors de la mise en œuvre des composites sur leurs performances hygrothermiques ainsi que leurs propriétés mécaniques. Enfin, la résistance à l'immersion accidentelle et à l'humidité ainsi que la réaction au feu des formulations les plus prometteuses sont étudiées. / The aim of this thesis is to develop new bio-based building insulating materials which contribute to reduce their environmental impacts. The developed materials shall have low embodied energy and low carbon footprint. They shall contribute to reduce energy needs of buildings and to ensure high hygrothermal comfort of users. First, raw materials from agricultural resources (hemp shiv, flax shiv, wheat straw, rape straw and corn cobs) are characterized from a chemical, physical, hygrothermal and mechanical point of view, with a aim of developing bio-based composites for the thermal insulation of buildings. Their chemical composition is interesting for the development of green binder. A study to assess this ability is carried out. At the end of the study, two binders corresponding to extractions performed on corn cobs and flax fines are developped. Other binders from industry are also selected for composite production. Then, composites are produced to study the influence of aggregates, binder, granulometry of aggregates, alkaline pre-treatment of aggregates and compaction pressure applied during the processing of composites on their hygrothermal performances and mechanical properties. Finally, the resistance to accidental immersion and humidity and the reaction to fire of the most promising formulations are studied.

Les ouvrages vieillissent et leur état se détériore. Compte tenu de leur importance sociale et économique, ils constituent des vecteurs de transports construits dans le but d'assurer un service alliant un haut niveau de qualité, de sécurité et de fiabilité. Des budgets d'investissement, le plus souvent déficitaires, sont octroyés pour la construction d'infrastructures et d'ouvrages de génie civil. La fermeture des ouvrages pour les activités d'entretien ou de réparation, même temporaire, et, dans le cas de leur démolition, perturbe fortement la mobilité des usagers, en particulier, le mouvement des marchandises, social humain au niveau des activités de service et récréative, entraînant des répercussions économiques à différentes échelles et secteurs. La gestion des ouvrages permet l'auscultation des détériorations, la surveillance, et l'évaluation régulière d'un parc d'infrastructure en vue d'assurer un meilleur service aux utilisateurs. Nous aborderons pour cela, le contexte du projet, les besoins de recherche et ses objectifs. Par la suite, nous nous intéresserons plus en détail à la méthodologie qui décrit le modèle de gestion qui sera développé dans ce travail de recherche pour évaluer et gérer le parc d'ouvrages et les résultats attendus du projet de recherche. Une revue de la littérature est abordée afin d'identifier et analyser les modèles de gestions existants dans ce domaine de gestion des infrastructures. Le rapport s'articule autour de trois grandes parties : (1) Évaluation de la condition d'état d'un pont (2) Variation temporelle de la condition d'état d'un pont (3) Gestion intégrée du réseau routier. Ce rapport conclut sur les apports de la recherche et ouvre la perspective de développement à venir. Ce qui contribuera à maintenir et à en rétablir de façon optimale l'état des ouvrages ainsi qu'à stimuler l'économie. / The structures grow old, and their condition deteriorates. Given their social and economic importance,they are transporting vectors built to ensure a service combining a high level of quality, safety and reliability. Investment budgets, most often in the deficit, are allocated for infrastructure and civil engineering structures construction. The closure of structures for maintenance or repair activities, even temporarily, and, in the case of their demolition, strongly disrupts the mobility of users, in particular, the movement of goods, human social at the level of service and recreational activities, entailing economic impacts at different scales and sectors. The structure management allows the monitoring of deterioration,the surveillance and the regular assessment of an infrastructure fleet in order to ensure a better service to the users. We will cover the context of the project, the research necessities and its goals. Afterwards, we will focus in more detail on the methodology that describes the management model that will be developed in this research work to evaluate and manage the structure fleet and the expected outcomes of the research project. A literature review is performed to identify and analyse existing management models in this field of infrastructure management. The report is structured around three main parts: (1) Bridge state condition assessment (2) Temporal variation of the bridge state condition (3) Integrated Road network management. This thesis concludes on the research contributions and opens the perspective of future development. This will help to maintain and optimally restore the structures state condition and stimulate the economy.