Ce travail de recherches se situe dans le cadre de l’ANR VBD2012-ECO-construction par le Recyclage du Béton (ECOREB). Il vise à lever certains verrous scientifiques afin de rendre possible l’utilisation des granulats issus de la démolition/déconstruction pour élaborer de nouveaux bétons pour le bâtiment. L’ANR ECOREB est en relation avec le PN RECYBETON. Les deux projets interagissent fortement.Cette étude a pour objectif d’évaluer la durabilité des bétons recyclés vis-à-vis du gel/dégel modéré sans sels de déverglaçage. Les bétons ont été élaborés en faisant varier : le taux d’incorporation des granulats recyclés (GR) l’état de saturation des gravillons tout en maintenant la même classe de consistance S4 et la classe de résistance de type C35/45. Un agent entraîneur d’air a été introduit afin d’obtenir des bétons conformes à l’EN 206-1 avec deux teneurs en air occlus 4% et 6%.Dans un premier temps, les propriétés physiques et mécaniques des granulats recyclés (GR) ont été étudiées et comparées à celles des granulats naturels (GN). Les GR manifestent une capacité d’absorption d’eau dix fois supérieure à celle des GN, une résistance mécanique deux fois inférieure et une résistance au gel deux fois inférieure. Cependant ils sont classés non gélifs de catégorie Fdéclaré.. Les faibles propriétés des GR comparées à celles des GN s’expliquent par la présence de l’ancienne pâte de ciment qui entoure les grains originaux et qui est caractérisée par une forte porosité et par un fort réseau de fissures connecté créé lors du concassage du béton parent.Les propriétés physiques (porosité et coefficient d’absorption d’eau) de transfert (conductivité thermique, résistivité électrique et perméabilité) et mécaniques sont fortement impactées par l’incorporation des granulats recyclés de part l’augmentation de la porosité capillaire essentiellement et du réseau des fissures présentes dans les gravillons recyclés. Les relations établies entre les propriétés mécaniques et les propriétés physiques et de transfert ont été établies. L’applicabilité des Euro codes égalementLes formulations avec un taux d’air occlus de 4% sont de classe C30/37 pour tous les taux d’incorporations alors qu’une diminution notable des résistances mécaniques à la compression est observée pour un taux d’air occlus de 6% : le béton de référence devient de classe C16/20. L’incorporation des GR affecte la résistance au gel/dégel des bétons. En utilisant les indicateurs préconisés par la norme NFP 424, le béton sans agent entraineur d’air atteint les critères recommandés au 75ème cycle lorsqu’il est élaboré avec 100% de GR et au 125ème cycle quand seuls les GN sont utilisés. L’entraineur d’air améliore la tenue au gel des bétons. Nous remarquons que les bétons C35/45 30R-30R (30% en volume d’incorporation) avec 4% d’air entrainé présentent le comportement ressemblant à celui du béton référence et respecte les critères de la résistance préconisé par la norme NF P 18-424 et l’EN 206-1.Ce travail a permis également de mettre en place d’autre indicateurs performantielles pour estimer la résistance au gel/dégel des bétons à granulats recyclés. / Development in many sectors has negative environmental effects. In construction sector, there are millions of tonnes of construction and demolition waste (CDW) every year. This CDW has a significant damage on the environment and may endanger its sustainability. To find a conceivable solution for CDW and to preserve the natural resources, particularly the non-renewable ones, worldwide researches on recycled aggregates have been increased in order to investigate their revalorization possibilities in concretes.As many developed countries, France also has introduced legislations and strategies to reduce the environmental effects of CDW. Corresponding to problem of CDW, there are two national project called PN-RECYBETON and ANR VBD2012-ECOREB that deal with how to provide concretes for building field using aggregates provided from CDW.This work aims to determine the durability of recycled aggregate concrete by freeze/thaw cycles. Four types of concrete were prepared by varying the replacement ratio of natural aggregates (NA) by recycled one (RA). The volumetric substitutions rates are respectively 0%, 33%, 55% and 100%, while the concretes mix design were adjusted in order to achieve the same consistency class of S4. Furthermore, we also studied the durability of these concretes varying the air content through an air entraining agent.After characterization of physical and mechanical properties of NA and RA, we found that the water absorption capacity of RA is 10 times greater than that of NA due to a low density. Moreover, the RA presents poor mechanical résistance by LA, MDE and freezing action.These poor performances of RA can be explained by the existence of pores and crack in old cement paste that provided during production process. The microstructure of RA was analyzed by SEM.Regarding to the influence of RA in mix design, with total substitution the density of hardened decrease 17% while the porosity become two times greater than those of natural concrete.In addition, the mechanical properties of studied concretes mix design decreases through the incorporation of RA. Regarding to the transfer properties, the gas permeability of the concrete 100% substitution is 2 times higher than that of reference one. On the other hand, the electric resistivity decreases with increasing of RA content.The Air-Entraining agent has a significant effect on the compressive and the splitting tensile strengths. It is observed that with 6% of air content the mentioned mechanical properties decrease drastically (a diminution higher than 50%). The increase of RAC content in the mixtures decreases their freezing/thawing resistance.The introduction of Air-Entraining agent improves the freezing/thawing resistance of concrete. The air-entrained concrete with 50% and 100% of RA present the poor performance than that of reference concrete via the studied durability indicators. Moreover, the air-entrained concrete C35/45 30R-30R with 4% and 6% of air content show the similar performance as air-entrained control concrete.

Comportement à haute température des bétons : influence de la nature du granulat.Cette étude porte sur l’influence de la nature du granulat sur le comportement des bétons à haute température. Les propriétés des granulats et les performances des bétons sont généralement classées en deux catégories basées sur leur composition chimique : les bétons de granulats calcaires et les bétons de granulats siliceux. Cependant, de récentes études ont montré que les comportements à haute température de différentes natures de granulats au sein de ces groupes compositionnels sont particulièrement différents. La pertinence de cette distinction est donc discutée au travers de ces résultats.Dans un premier temps, une étude pétrographique (composition minéralogique) sur deux granulats siliceux et deux granulats calcaires, représentatifs des deux catégories, est réalisée. Leurs propriétés physiques (densité, porosité, granulométrie) sont déterminées. L’évolution des caractéristiques minéralogiques est étudiée en passant par l’identification des phénomènes physico-chimiques (modification minéralogique identifiée par DRX, ATG/DSC) survenant au cours du chauffage. Cela permet d’interpréter leurs influences sur l’évolution de la capacité thermique et de la dilatation thermique linéaire des granulats. Des observations à différentes échelles après des cycles de c/r à différents paliers de température jusqu’à 750 °C permettent de décrire et d’évaluer l’endommagement des granulats.Dans un deuxième temps, des bétons et des mortiers (Eeff./C = 0,6 et 0,3) sont confectionnés avec ces granulats (gravillons et sables). Les processus thermo-chimiques sont identifiés et la dilatation thermique des mortiers est mesurée à chaud jusqu’à 1000 °C. Les propriétés thermiques à chaud des bétons (conductivité thermique, capacité thermique, diffusivité thermique) sont mesurées jusqu’à 300 °C et la réponse thermique jusqu’à 750 °C. La fissuration résiduelle est observée à l’échelle macroscopique et microscopique (microscope optique et MEB). L’évolution de la porosité et des propriétés mécaniques résiduelles (résistance à la compression, module d’élasticité et résistance à la traction par fendage) sont estimées après des cycles de c/r à différents paliers de température jusqu’à 750 °C. / High temperature behaviour of concrete : influence of the nature of the aggregates.This study deals with the influence of the nature of the aggregates on the behaviour of concrete undergoing to high temperature stress. Aggregate properties and concrete mechanical performances are usually classified into two categories based on chemical components: calcareous aggregates concretes and siliceous aggregates concretes. However, recent studies showed that high temperature behavior of aggregates within a same group of composition can be particularly different. The relevance of this distinction is discussed through these results.Firstly, a petrographic study (mineralogical composition) on two siliceous and two calcareous aggregates, representative of the two categories of composition is performed. Their physical properties (density, porosity, granular distribution) are determined. The evolution of mineralogical characteristics is performed through the identification of physico-chemical phenomena (mineralogical changes identified by XRD, TGA/DSC) happening during heating. It allows interpreting their influence on the evolution of specific heat capacity and thermal expansion of aggregates. The different scales observations made after heating/cooling cycles at different target temperatures until 750 °C allow the description and the evaluation of aggregates physical damage.Secondly, concretes and mortars (Weff./C = 0.6 and 0.3) are made with these aggregates (gravel and sand). Physico-chemical processes are identified and thermal expansion of mortar are measured during heating until 1000 °C. Hot thermal properties of concretes (conductivity, specific heat capacity, diffusivity) are measured until 300 °C and thermal response until 750 °C. Residual cracking is observed at macroscopic and microscopic scale (optical microscope and SEM). The evolution of porosity and mechanical residual properties (compressive strength, modulus of elasticity and tensile splitting strength) are assessed after heating/cooling cycle at different target temperatures until 750 °C.

Aujourd’hui, la durée d’exploitation de certaines structures en béton est amenée à être prolongée, en parallèle, des structures présentent prématurément des signes d’endommagements dû parfois à une mauvaise prise en compte des conditions environnementales. Assurer la durabilité des structures, c’est également assurer leur exploitation de façon sécuritaire, économique et écologique. Notre objectif est dans un premier temps de comprendre les phénomènes et mécanismes en jeu, ainsi que leur potentiels couplages ; puis, dans un deuxième temps, de créer des modèles prédictifs fiables de ces comportements.Le travail présenté s’intéresse en particulier aux structures nucléaires, qui en plus d’avoir un enjeu majeur, présentent des risques vis-à-vis de la dessiccation et de pathologies thermo-activées comme la réaction sulfatique interne (RSI). Plus précisément, l’objectif de cette thèse est de comprendre la participation des granulats dans les mécanismes de dégradation du matériau sous ces deux sollicitations respectives, puis leur couplage.A cet effet, une approche expérimentale multi-échelle est menée. Elle s’intéresse à l’évolution des déformations différées ainsi que des propriétés mécaniques et de transfert de matériaux cimentaires soumis soit à la dessiccation, soit à la RSI. Dans les deux cas, les paramètres influents des granulats dans les mécanismes ont été mis en évidence et une étude paramétrique a été mis en place afin de dégager clairement l’influence de ces paramètres.Dans un premier temps, l’étude de la dessiccation est basée sur le suivi et la caractérisation de sept formulations modèles ; i.e. dont les squelettes granulaires ont été contrôlés et sélectionnés selon la taille et la fraction volumique des granulats dans le matériau ; sur 200 jours. Les essais ont mis en évidence l’influence de ces paramètres dans le phénomène d’incompatibilités de déformations entre pâte de ciment et granulats. En parallèle, l’étude expérimentale de la réaction sulfatique interne s’intéresse à caractériser l’influence de la nature minéralogique des granulats sur la formation et la progression de la pathologie. Nous nous intéressons à l’influence de ce paramètre sur la cinétique et le taux de la réaction, mais également sur l’évolution des propriétés du matériau, afin d’identifier tous les mécanismes physico-chimiques présents. Enfin, une dernière étude s’intéresse au couplage entre RSI et dessiccation. Ici, les paramètres granulats ont été fixés, et des échantillons réactifs vis-à-vis de la RSI ont été soumis à des cycles de séchage-imbibition. / Today, the operating life of some concrete structures is likely to be extended, in parallel, structures show early signs of damage due sometimes to poor consideration of environmental conditions. Ensuring the sustainability of structures also means ensuring their safe, economical and ecological operation. Our objective is first to understand the phenomena and mechanisms at play, as well as their potential couplings; then, in a second step, to create reliable predictive models of these behaviours.The work presented is particularly interested in nuclear structures, which, in addition to having a major stake in our societies, present risks with regard to desiccation and thermo-activated pathologies such as the delayed ettringite formation (DEF). More precisely, the objective of this thesis is to understand the participation of aggregates in the degradation mechanisms of the material under these two respective stresses, and then their coupling.To this end, a multi-scale experimental approach is being conducted. It takes interest in the evolution of delayed deformations as well as the mechanical and transfer properties of cementitious materials subjected to either desiccation or DEF. In both cases, the influential parameters of the aggregates in the mechanisms were identified and a parametric study was carried out to clearly identify the influence of these parameters.First, the desiccation study is based on the monitoring and characterization of seven model formulations; i.e. granular skeletons were controlled and selected according to the size and volume fraction of the aggregates in the material; over 200 days. The tests revealed the influence of these parameters in the phenomenon of aggregate restraint.In parallel, the experimental study of DEF aims at characterizing the influence of the mineralogical nature of aggregates on the formation and progression of the pathology. We are interested in the influence of this parameter on the reaction kinetics and rate, but also on the evolution of the material properties, in order to identify all the physico-chemical mechanisms at stake. Finally, a final study is interested in the coupling between RSI and desiccation. Here, the aggregate parameters were set, and samples reactive to DEF were subjected to drying and soaking cycles.

Dans les années 50–70, il était considéré qu’une épaisseur suffisante de béton était nécessaire pour résister au cisaillement dans le cas des structures de type dalle épaisse. Cependant, l’intégration récente, dans les équations de calcul de résistance, de certains mécanismes remet en cause la capacité en cisaillement de ce type d’ouvrage, particulièrement pour les dalles épaisses atteintes de Réaction Alcalis-Silice (RAS). C’est pourquoi, une étude est réalisée de manière à déterminer la capacité portante en cisaillement de dalles épaisses sans renforcement en cisaillement atteintes de RAS. Pour cela, une série de quatre dalles réactives (3) et une non réactive (1) de 610 x 750 x 4500 mm a été fabriquée, conditionnée de manière à activer la réaction, puis testée structuralement jusqu’à la rupture à des niveaux d’expansion présélectionnés. De plus, les propriétés du matériau ont été déterminées. Les dalles réactives présentent une plus grande résistance que la non réactive, résultant des fissures et de la précontrainte chimique induites par la RAS. / During the 1950’s-1970’s, it was considered that concrete provided adequate strength to ensure the proper performance of concrete slabs under shear stresses. However, the recent introduction, in performance calculations, of certain mechanisms, has raised new concerns about the structural capacity of this type of structures, especially aging concrete slabs affected by Alkali-Silica Reaction (ASR). That is why a study is being carried out to determine the residual shear capacity of thick concrete slabs without shear reinforcement with the progress of ASR. In order to do so, one set of four reactive (3) and non-reactive (1) concrete specimens, 610 x 750 x 4500 mm in size, was fabricated, subjected to conditions conducive to the development of ASR, then tested up to failure at selected expansion levels due to ASR. Also, the materials properties were determined. The reactive slabs actually showed higher strength that the non-reactive one, resulting from cracks and a chemical prestressing process due to ASR.

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 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.

Cette étude a pour but de compléter et d'améliorer les connaissances reliées à l'expansion du béton générée par la réaction alcalis-silice (RAS). Elle est divisée en deux volets : l'expansion atteinte et l'expansion résiduelle. Dans le cadre du premier volet de recherche, deux essais sont évalués afin de vérifier leur potentiel pour déterminer l'expansion atteinte à ce jour d'un béton affecté de RAS. L'indice d'endommagement interne (DRI) présente d'excellentes relations et permet d'estimer l'expansion du béton de façon assez fiable, et ce, même pour l'expansion due au gel/dégel. La présence ou non d'un entraîneur d'air dans le béton fait grandement varier les résultats. Les essais de chargement cyclique (SDT) n'ont malheureusement pas été effectués et les résultats suivront dans une publication scientifique ultérieure. Dans le cadre du deuxième volet de recherche, l'influence de plusieurs paramètres est évaluée au cours de l'essai d'expansion accélérée. Ces paramètres sont : le rapport eau/ciment du béton, l'état de la surface des éprouvettes (moulée vs. forée), le rapport volumique air/béton dans les contenants, le diamètre des éprouvettes, les mesures de protection contre le lessivage, la durée de mûrissement, ainsi que la nature des alcalis. Le rapport volumique air/béton dans les contenants a une influence majeure sur les résultats d'essais : plus il est élevé, plus le lessivage est important et plus l'expansion est faible. Le diamètre des éprouvettes testées (ou leur surface spécifique, inversement proportionnelle au diamètre), est aussi un paramètre très influent : plus le diamètre est faible, plus le lessivage est important et plus l'expansion est faible. Aucune mesure de protection contre le lessivage ne permet une expansion ultime aussi élevée que celle des éprouvettes non protégées, même si elles réduisent le lessivage. Il semble qu'il y ait un seuil critique de lessivage, aux alentours de 20%, au-delà duquel la courbe d'expansion des éprouvettes plafonne.

Il a été démontré que l'installation d'ancrages époxydiques à l'aide de barres d'armatures en acier constitue une méthode efficace de renforcement à l'effort tranchant de dalles épaisses en béton armé. Toutefois, le développement d'une méthode de conception pour ce type de renforcement est actuellement laborieux, puisque très peu de projets de recherche ont étudié l'évolution de d'adhérence de ces ancrages époxydiques lors de l'application d'une charge de traction. Par ailleurs, cette méthode de renforcement a été étudiée, puis testée sur des éléments de béton sain, c'est-à-dire sans endommagement pathologique, ce qui entraine un certain questionnement sur la performance de l'adhérence des ancrages époxydiques de barre d'armature ancrés dans un béton endommagé. Le présent projet de recherche étudie donc, dans un premier temps, la résistance à l'adhérence et le comportement de l'ancrage lors d'un chargement uniaxial en traction des ancrages époxydiques de barre d'armature ainsi que l'effet sur ce comportement de l'endommagement, et ce principalement des fissures créées par le développement de la réaction alcalis-silice (RAS) à l'intérieur de la matrice de béton. La contrainte d'adhérence a été étudiée au moyen d'essais d'arrachement réalisés sur des longueurs d'ancrage de 2d [indice b], 4d [indice b] et 5d [indice b] avec des armatures 15M (d [indice b] = 15,9 mm). Ces essais ont permis de démontrer une chute de la résistance maximale à l'adhérence pour des longueurs d'ancrage plus grandes ou égales à 4d [indice b] lorsque le béton est atteint de RAS. Par ailleurs, le projet révèle que la progression de la RAS, et donc la progression de l'expansion du béton, entraine un confinement de l'ancrage époxydique qui augmente sa résistance à l'adhérence. / Research projects from Université Laval had demonstrated that the installation of epoxy-bonded anchors with steel reinforcing bar is an effective shear strengthening method for existing concrete thick slab structure. However, the development of a design method for this type of reinforcement is currently hazardous, since very few available literatures focus on the bond behaviour of epoxy-bonded anchors. In addition, this method of rehabilitation has largely been studied and tested on sound concrete elements, i.e. without any pathological damage, which raises the question of the bond behaviour on existing damaged elements. This investigation studies the bond behaviour of epoxy-bonded anchors, the influence of alkali-silica reaction (ASR) on the bond behaviour and, finally, the progress of ASR deleterious mechanisms over the capacity of epoxy-bonded anchors. Pull-out tests on epoxy bonded anchors of embedded length 2d [indice b], 4d [indice b] and 5d [indice b] with 15M reinforcing bars (d [indice b] = 15,9 mm) were performed to encounter the previously mentioned objectives. These tests have demonstrated a drop in bond strength for embedded length exceeding 4d [indice b] when concrete is affected by ASR. In addition, the study revealed that the progression of concrete expansion due to ASR, leads to a confinement of the epoxy-bonded anchor and increases the bond strength.

Le Damage Rating Index est une méthode pétrographique développée pour quantifier l'endommagement du béton, principalement dû à la réaction alcalis-silice. La méthode n'est cependant pas normalisée et sa variabilité est élevée. La méthode du DRI a donc été réévaluée dans le cadre d'études intralaboratoires. Une nouvelle méthode est proposée, basée sur la méthode originale en retirant des indices moins importants pour l'endommagement et en proposant de nouveaux facteurs pour les indices restants, selon de nouvelles définitions établies pour les fissures dans la pâte. Cette nouvelle méthode donne une variabilité acceptable entre opérateurs. De plus, les travaux réalisés ont permis de démontrer que la méthode du DRI s'avère un outil puissant pour la détermination de l'état d'endommagement du béton affecté par la réaction alcalis-granulats et autres phénomènes délétères.

La réaction alcalis-silice (RAS) est un des principaux mécanismes nuisibles affectant la durabilité du béton. Le programme de recherche effectué dans le cadre de ce doctorat comprend deux parties (3 phases), soit la caractérisation microstructurale de produits de la RAS et la modélisation du mécanisme d’endommagement du béton par la RAS. Les résultats expérimentaux de cette recherche fourniront de nouvelles données sur les propriétés microstructurales de bétons affectés par la RAS. Les travaux effectués lors de la première phase du programme expérimental avaient pour objectif de caractériser les propriétés micromécaniques des produits de la RAS à l’aide de nouvelles techniques de nano- et micro-indentation, avec emphase portée sur leur propriété en viscosité. Les échantillons de béton utilisés lors du programme d’essais ont été extraits d’un pavage en béton fortement affecté par la RAS et situé dans la région de Bécancour (Québec). Le béton est caractérisé par de nombreuses particules de granulats de calcaire à grains fins contenant des microfissures remplies de produits secondaires de RAS; les fissures s’étendent dans la pâte de ciment pour former un réseau se propageant de particule en particule. Après une préparation soigneuse de l’échantillon par polissage, la surface des particules de granulats et des veinules apparaissant dans ces particules (i.e. microfissures remplies de produits cristallins de réaction) ont été examinées par Atomic Force Microscopy (AFM) avant de procéder aux essais de nano-indentation. Des valeurs de module et de dureté ont été mesurées pour les produits de réaction par micro- et nano-indentation. Les résultats de ces essais indiquent que les produits cristallins de RAS offrent un comportement de relaxation important atteignant environ 40%. De plus, un modèle rhéologique simplifié est proposé permettant de reproduire les courbes de relaxation sous charge et les valeurs asymptotiques. Ces résultats suggèrent que la relaxation des produits de RAS est importante et principalement irréversible. Les travaux de la deuxième phase du programme expérimental ont permis d’explorer l’utilisation d’une nouvelle technique de microscratch afin de caractériser l’énergie de fracturation (i.e. rigidité) des particules de granulats réactifs de type calcaire dans un béton fortement affecté par la RAS (viaduc routier de la région de Québec). Les particules de granulats montraient typiquement un zonage (zones gris-foncées et gris-pâles) entourant des veinules blanchâtres au sein des particules réactives. En tant que référence, un échantillon de calcaire vierge provenant d’une carrière de la région de Québec a été sélectionné et soumis aux mêmes procédures d’essais. En plus des propriétés élastiques, la rigidité des particules de granulats réactives ont été mesurées statistiquement et se situe autour de 1.5 MPam1/2. La rigidité de fracturation des particules de granulats réactives a démontré n’être affecté ni par la direction d’essai par rapport au plan de litage, ni par la zonation qui a d’abord été interprétée comme des portions montrant des signes de réaction. Ainsi, l’endommagement des particules de granulats semble se situer presqu’essentiellement au niveau des microfissures générées dans les particules réactives. La dernière phase du programme expérimental s’est concentrée sur la caractérisation des propriétés en fluage et en relaxation des produits cristallins de RAS remplissant les microfissures des granulats calcaire réactifs (échantillons provenant du pavage fortement affecté par la RAS utilisés lors de la première phase du programme expérimental). Les essais de micro-indentation ont été réalisés sous deux conditions d’humidité relative. Il a été observé qu’une augmentation en humidité relative réduisait fortement la déformation de fluage irréversible des produits cristallins de RAS, qui montrent un temps caractéristique plus grand. Ainsi, la teneur en eau semble favoriser le mécanisme de glissement irréversible le long ou entre les plaquettes des produits cristallins (rosettes lamellaires) de RAS sous charge constante. Finalement, les implications des résultats de ces travaux sont discutées en lien avec le processus de génération de pression à l’intérieur des particules de granulats réactives. Les propriétés rhéologiques des produits de RAS peuvent jouer un rôle critique lors du relâchement des contraintes internes induites par l’expansion de ces produits. Enfin, un modèle simplifié « 1D » est proposé comme nouvel outil de recherche, et ce afin de prendre en compte les principaux résultats de cette étude, i.e. les propriétés visco-élastiques des produits de RAS et les propriétés de rigidité des particules de granulats réactives. / The Alkali-Silica Reaction (ASR) is one main detrimental factor to affect the durability of concrete. The research comprises two parts, i.e. microstructural characterization of ASR products (3 phases), and modeling of concrete damage due to ASR. The experimental results will provide new findings on the microstructure properties of ASR-damaged concrete. The work in the first phase of the research aims at characterizing the micromechanical properties of ASR products by new techniques of nanoindentation and micro-indentation, with emphasis on their viscous behavior. The concrete samples were extracted from a heavily ASR-affected concrete pavement in Bécancour (Québec). The concrete is characterized by numerous fine-grained limestone aggregate particles with microcracks filled with secondary reaction products that extend into the cement into a network from one aggregate particle to another. After careful sample preparation (polishing), the surface of the aggregate particle and of the veinlets (i.e. cracks filled with crystalline ASR product within the aggregate particles) was examined by Atomic Force Microscopy (AFM) before nanoindentation testing. Both nanoscale and microscale indentation modulus and hardness of ASR products were measured. The test results show that ASR crystalline products exhibit important relaxation behavior of about 40%. Then, a simplified rheological model was proposed to fit the load relaxation curves and their asymptotic values. These results suggest that ASR product relaxation is significant and mostly irreversible. The second research phase explored the use of the novel micro-scratch technique to characterize the fracture energy (i.e., toughness) of the ASR-affected limestone aggregate particles within a core specimen extracted from a heavily ASR-affected concrete bridge from the Québec City area. The ASR-affected aggregate particles were typically showing “zoning” (i.e. light grey and dark grey) surrounding white veinlets within reacted limestone aggregate particles. As a reference, an undamaged/virgin quarried limestone specimen from a local quarry was selected and subjected to similar testing. Besides the elastic properties, the toughness of the reactive aggregate particles was statistically measured to be around 1.5 MPam1/2. The fracture toughness of reactive aggregate particles was affected neither by the bedding line directions nor by the “zoning” that was first thought to correspond to “reacted” portions of the particles. Besides the major cracks filled by ASR products, the results indicated that the surrounding reactive aggregate was not characterized by any significant internal damage distribution. In the later phase of the experimental program, our research focused on characterizing the creep and stress relaxation properties of the ASR crystalline products typically filling microcracks within reactive limestone particles (specimen from the heavily ASR-affected concrete pavements in Bécancour (Québec) used in phase 1). The testing carried out was micro-indentation under controlled relative humidity. It was found that an increase in relative humidity strongly reduces the irreversible creep deformation of ASR crystalline products, which act a greater characteristic time. That is, the water content seems to favor irreversible sliding mechanisms along/between the ASR crystals under constant load. Finally, the implications the research findings are discussed with respect to the stress build-up process within reactive aggregate particles. The rheological property of ASR products may play a critical role to releasing the internal stress induced by the ASR product expansion. Finally, a “1D thought model” is proposed as a new research avenue to account for the major results of this work into ASR-damaged concrete modeling, i.e., the visco-elastic property of ASR products and the damage toughness of reactive aggregates.