Ce projet fait suite à une étude réalisée en 2019 par une firme d'ingénierie qui a confirmé que la RAS affecte à différents degrés les semelles des piliers de l'Estacade du pont Champlain à Montréal. Les conclusions de l'étude semblent toutefois incertaines quant au niveau précis d'endommagement actuel (diagnose) et le potentiel d'endommagement futur de ces éléments (prognose). Un programme expérimental basé sur l'approche proposée par Fournier et coll. (2010) a été proposé afin de compléter la diagnose et la prognose des semelles de l'Estacade pour mieux outiller les gestionnaires intéressés à prolonger la durée de vie de cette structure. Le Damage Rating Index (DRI) et le Stiffness Damage Test (SDT) ont été proposés afin de documenter le volet diagnose. Les essais d'expansion sur carottes de béton (>95% H.R. et NaOH 1N à 38°C) et de détermination de la teneur en alcalis solubles du béton (extraction à l'eau chaude et froide modifiée (rapport solide : liquide de 1 : 5)) constituent le volet prognose. Enfin, l'approche du LMDC (Toulouse) a été utilisée parallèlement pour vérifier le potentiel expansif des granulats, soit par la fabrication de barres de mortier à partir des granulats extraits des éprouvettes de béton. Deux bétons de compositions distinctes ont été identifiés dans les éléments de béton étudiés. Le béton de type A, le plus abondant, a été fabriqué avec un sable manufacturé de type calcaire et un gros granulat consistant en un mélange d'une roche intrusive non réactive et d'un calcaire réactif. Le béton de type B est pour sa part composé d'un sable naturel non réactif de composition granitique et d'un gros granulat réactif de type calcaire. Malgré une variabilité significative des résultats aux essais SDT et DRI, le béton de type A montre un niveau d'endommagement moyen allant de *modéré* à *très élevé*, mais inférieur à celui du béton de type B, lequel est en moyenne *élevé* à *très élevé*. Ce niveau d'endommagement a été établi selon de nouvelles cotes d'évaluation de l'endommagement pour des structures affectées par la RAS. Malgré une concentration très élevée en alcalis solubles dans le béton de type A, accentuée vraisemblablement par une contribution de la roche non réactive, celui-ci montre un moins grand potentiel expansif que le béton de type B. Il est probable que la concentration en alcalis très élevée mesurée dans le béton de type A soit associée à la présence de feldspaths sodiques de la roche volcanique non réactive. Sur la base des résultats générés et des analyses qu'ils ont permises, il est recommandé de procéder à un suivi périodique pour les semelles composées du béton de type A, puis à un suivi prioritaire dans le cas des semelles composées du béton de type B. / This project follows a study conducted in 2019 by SNC-Lavalin which confirmed that the footings of a bridge structure in the Montréal area were affected by the alkali-silica reaction (ASR). However, these conclusions was uncertain with respect to the severity of the current damage (diagnosis) and the potential for further expansion (prognosis). An experimental program based of the protocol proposed by Fournier et coll. (2010) was implemented with the objective of completing the diagnosis and prognosis of the footings to help with the management of the structure and to extend its service life. The Damage Rating Index (DRI) and the Stiffness Damage Test (SDT) were proposed to document the diagnosis of the footings. The expansion tests on concrete cores (>95% R.H. and NaOH 1N at 38°C) and the alkali soluble content determination test (HWE and modified CWE) were used to establish the prognosis of the footings. Finally, the approach proposed by the LMDC (Toulouse) was used to verify the absolute expansive potential of the aggregates, which consists of testing the expansion of mortar bars with the extracted reactive coarse aggregate of damaged concrete samples. Two types of concrete were identified in the footings of the structure. Concrete A, the most abundant, was made with a manufactured limestone sand and a coarse aggregate consisting of a mixture of fine-grained reactive limestone and non-reactive volcanic rock type. Concrete B was made with a reactive coarse limestone aggregate and a non-reactive natural (granitic composition) fine aggregate. Despite a high variability within the results of the SDT and DRI, the damage in concrete A ranges from *moderate* to *very high* and was found to be lower than the damage in concrete B which ranges from *high* to *very high*. Despite a very high concentration of alkalis in concrete A, which is probably caused by the contribution of the non-reactive volcanic aggregate, concrete A shows a lower expansion potential compared to concrete B. It is believed that an alkali-rich (feld-spathoid) mineral in the volcanic rock type in the coarse aggregate of Concrete A has contributed to the high water-soluble alkali content measured on that concrete. Finally, a follow-up when feasible is recommended for the footings composed of concrete A. For the footings constructed with concrete B, a prioritized follow-up is suggested.

La réaction alcali-silice (RAS) reste un problème majeur de durabilité du béton. Plusieurs chercheurs ont étudié l'utilisation d'ajouts cimentaires (AC) et de certains résidus industriels comme mesure fiable pour contrôler l'expansion associable à la RAS dans le béton. Les ajouts cimentaires ont également été utilisés comme outil pour réduire l'impact environnemental de la production du ciment. À cette fin, des granulats réactifs ont été sélectionnés et combinés à différentes proportions de résidus d'aluminosilicate (SiAl) produits lors d'un processus industriel visant l'extraction du lithium dans un cadre d'exploitation minière. Des éprouvettes de barres de mortier (AMBT) et de prismes miniatures du béton (MCPT) ont été préparées avec différentes proportions de SiAl (10%, 15%, 20%, 25%, 30% et 40% de remplacement massique du ciment - systèmes binaires), de même qu'en combinant des proportions de SiAl avec des ajouts cimentaires conventionnels comme des cendres volantes (CV), du laitier de haut fourneau (LHF) et de la fumée de silice (FS) dans des mélanges ternaires, et ce afin d'évaluer l'expansion de la RAS conformément aux essais accélérés CSA A23.2-25A/28A et AASHTO T 380-19. Les résultats d'essais réalisés sur éprouvettes de béton (essai MCPT) ont montré une diminution de 82 à 89% de l'expansion aux échéances critiques pour les spécimens incorporant 15 à 25% de SiAl (systèmes binaires incorporant les granulats réactifs Spratt et Sudbury). Dans les mélanges ternaires, la tendance bénéfique était similaire et, par exemple, l'incorporation d'un pourcentage de 10%SiAl+10CV à 10%SiAl+15%CV a réduit l'expansion de 83% et 91%, respectivement, par rapport au mélange de référence composé de ciment Portland seulement (mélanges incorporant le calcaire Spratt). Ces niveaux de réduction de l'expansion par rapport à celle obtenue pour les éprouvettes de référence permettent dans bon nombre de cas de rencontrer les limites d'acceptation pour les formulations (ternaires) efficaces contre la RAS, mais pas toujours. Les éprouvettes incorporant au moins de 20% de l'aluminosilicate (SiAl) à l'étude ont permis d'atténuer l'expansion de la RAS causée par l'utilisation de granulats réactifs (Spratt et Sudbury). Pour corréler les résultats obtenus lors des essais accélérés, ceux-ci ont été comparés à des essais réalisés sur des blocs de béton fabriqués avec la même proportion d'AC et exposés à des conditions naturelles pendant 20 ans. / The alkali-silica reaction (ASR) remains a major concrete durability problem around the world. Several researchers have studied the effectiveness of supplementary cementitious materials (SCMs) and other industrial waste materials as a measure to control ASR expansion in concrete. SCMs have also been used as a tool to reduce the environmental impact of cement production. For this purpose, selected reactive aggregates were combined with an Aluminosilicate residue (SiAl) produced during lithium extraction from a mining operation. Accelerated Mortar bar (AMBT) and Miniature Concrete Prism (MCPT) tests were performed on specimens that were prepared with various SiAl proportions (10%, 15% 20%, 25%, 30% and 40% by cement mass - binary systems), as well as by combining various proportions of SiAl with conventional SCMs such as a fly ash (FA), slag (SL) and silica fume (SF) in ternary mixes. The objective was to evaluate the effectiveness of those SCMS in reducing ASR expansion in accordance with accelerated tests CSA A23.2-25A/28A and AASHTO T 380-19. MCPT test results showed expansion reduction of 82 to 89% at selected critical testing periods for specimens incorporating 15 to 25% of SiAl (binary mixtures with reactive Spratt and Sudbury aggregates). In the case of ternary blends, a similar beneficial trend was observed; for example, increasing the amount of FA from 10 to 15% in a mixture incorporating 10% SiAl resulted in expansion reductions improving from 83 to 91% compared to the control OPC concrete (mixtures with the Spratt reactive aggregate). Such levels of expansion reductions allowed for a large number of the ternary mixtures tested to meet the acceptance limit proposed for the MCPT, but not always. Specimens incorporating at least 20% of the aluminosilicate (SiAl) residues were useful to prevent ASR expansion caused by the use of reactive aggregates (Spratt and Sudbury). To correlate the results obtained from the accelerated tests, those were compared with expansion trends measured on concrete blocks built with the same amount of SCMs and exposed to natural conditions for a period of 20 years.

L'objectif de cette étude doctorale était de mieux comprendre le comportement d'un ajout cimentaire alternatif à haute teneur en alcalis comme le verre broyé (VB) face au phénomène de la réaction alcalis-silice (RAS). Ainsi, des systèmes cimentaires binaires et ternaires composés de ciments de différentes teneurs en alcalis (0.63 à 1.25% Na₂Oeq), de VB (10 - 30%) et d'un des ajouts cimentaires suivants : fumée de silice (FS) (5 - 10%), métakaolin (MK) (5 - 15%), cendre volante (CV) (15 - 30%) ou laitier de hauts fourneaux (LHF) (20 - 40%), ont été utilisés pour la fabrication de prismes de béton et de pâtes cimentaires. Les prismes de béton incorporant un calcaire hautement réactif (Spratt) ont été conditionnés à 38°C avec une H.R.>95% et leur changement dimensionnel suivi pour une période de deux ans. Les échantillons de pâtes cimentaires ont été, quant à eux, conservés dans des contenants hermétiques à 38°C et leur solution interstitielle extraite sous pression et analysée après 28 et 182 jours de conditionnement pour en déterminer la concentration en Na⁺ et K⁺. Contrairement à ce qui est attendu en fonction des connaissances actuelles, les résultats des analyses chimiques indiquent que le sodium du VB n'est pas relâché dans la solution interstitielle en proportion de son contenu original (>13% Na₂O), du moins pour les systèmes ternaires étudiés. L'ajout de VB réduit la [K⁺] de manière plus importante que ne le ferait une simple dilution du ciment, alors que la [OH⁻] est modestement influencée par l'ajout de VB. L'expansion des éprouvettes fabriquées à partir des mélanges ternaires étudiés n'est pas fonction du pourcentage de VB dans le système; d'ailleurs, de nombreux mélanges se trouvent de part et d'autre de la limite de 0.040% de deux ans préconisée par la Pratique Normalisée CSA A23.2-28A. La nature et la proportion de FS/MK/CV/LHF a un impact plus important que la quantité de VB. L'ajout de NaOH au mélange, tel que recommandé pour fins d'accélération lors des essais réalisés en laboratoire, semble réduire l'expansion de nombreux mélanges ternaires incorporant du VB. / The aim of this Ph.D. project was to deepen the understanding of the behaviour of a high-alkali Supplementary Cementitious Material (SCM) like Ground Glass (GG) on Alkali-Silica Reaction (ASR). Thus, binary and ternary cementitious systems made of 1) cements of different alkali contents (0.63 to 1.25% Na₂Oeq) 2); GG (10 - 30%) and 3) one of the following supplementary cementitious materials: Silica Fume (SF) (5 - 10%), Metakaolin (MK) (5 - 15%), Fly Ash (FA) (15 - 30%) or Blast Furnace Slag (BFS) (20 - 40%), were used to manufacture concrete prisms and cement pastes. Concrete prisms incorporating a highly reactive limestone (Spratt) were stored at 38°C with a R.H.>95% and their dimensional change monitored for a period of two years. Cement paste samples were stored at 38°C in sealed containers and their pore solution was extracted under pressure and analyzed for their concentration of Na⁺ and K⁺ (28 and 182 days). To the contrary of the expectations based on actual knowledge, the results of the chemical analysis suggest that the sodium of the GG is not released into the pore solution proportionally to its original content (13% Na₂O), at least for the cementitious systems studied. The addition of GG reduces the [K⁺] more significantly than would do a simple cement dilution, while the [OH⁻] is modestly influenced by the addition of GG in the system. The expansion of the prisms cast from the ternary mixtures studied is not a function of the percentage of GG in the system and many expansion results of mixtures are found on either side of the 0.040% two-year limit proposed by CSA Standard Practice A23.2-28A. The nature and proportion of FS/MK/CV/LHF in the system is more significant that the GG content. The addition of NaOH to the mixture, as recommended for acceleration purposes in laboratory tests, appears to reduce the expansion of many ternary mixtures incorporating GG.

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.

Cette thèse apporte une nouvelle contribution à la caractérisation non destructive des matériaux en béton endommagés par la réaction alcalis-silice (RAS). À cette fin, des techniques et outils de caractérisation non linéaire ont été mises au point. Un banc de test de résonance non linéaire a été développé. Des améliorations ont été apportées au niveau de la chaine d'excitation et au niveau du traitement du signal afin d'optimiser la sensibilité du banc de test. Les essais non linéaires ont été effectues sur sept échantillons de béton endommagés par la RAS, trois échantillons de béton endommagés thermiquement, deux échantillons de béton endommagés mécaniquement et trois échantillons de béton sains. La non-linéarité comportementale des matériaux étant souvent attribuée au comportement hystérétique des micro-défauts contenus dans ces derniers, il a été montré dans un premier temps, que le béton endommagé par la RAS présente un comportement hystérétique. Cette étude a été faite à partir des essais de l'acousto-élastique. Le banc de test de résonance non linéaire a été ensuite utilisé pour la caractérisation des bétons sains et endommagés par la RAS. II a été montré que la technique non linéaire, en plus de permettre une caractérisation sans avoir l'historique de l'état du matériau, permet également de détecter de façon précoce l'endommagement du matériau réactif. L'influence de la teneur en eau sur les paramètres non linéaires a également été étudiée. II a été montré que les valeurs mesurées sur des échantillons de béton conservés dans des conditions de forte teneur en eau sont plus faibles. Dans l'objectif de trouver une particularité à l'endommagement causé par la RAS, la nature visqueuse du gel produit par la RAS a été utilisée. Une démarche, qui s'inspire des essais de fluage en statique réalisés sur des matériaux, a été utilisée pour répondre à cette question de signature de la RAS, tout en appliquant la technique de résonance non linéaire. Le modèle ressort-amortissement de Maxwell a été utilise pour l'interpretation des résultats. Ainsi, le temps de réponse au fluage a été analysé sur des échantillons endommagés par la RAS. II en ressort que le gel issu de la RAS rallonge le temps de réponse au fluage. Enfin, les limites de la technique de résonance non linéaire pour une application in situ ont été expliquées et une nouvelle technique non linéaire estimée applicable sur site a été initiée. Cette technique consiste à utiliser une source externe telle une masse pour provoquer la non-linéarité dans le matériau, pendant qu'une onde ultrasonore sonde le milieu.||The aim of this thesis is to contribute to the non-destructive characterization of concrete materials damaged by alkali-silica reaction (ASR). For this purpose, some nonlinear characterization techniques have been developed, as well as a nonlinear resonance test device. In order to optimize the sensitivity of the test device, the excitation module and signal processing have been improved. The nonlinear tests were conducted on seven samples of concrete damaged by ASR, three samples of concrete damaged by heat, three concrete samples damaged mechanically and three sound concrete samples. Since, nonlinear behaviour of the material is often attribute to its micro-defects hysteretic behaviour, it was shown at first that concrete damaged by ASR exhibits an hysteresis behaviour. To conduct this study, an acoustoelastic test was set, and then nonlinear resonance test device was used for characterizing sound concrete and concrete damaged by ASR. It was shown that the nonlinear technique can be used for characterizing the material without knowing its initial state, and also for detecting early damage in the reactive material. Studies were also carried out on the effect of moisture regarding the nonlinear parameters; they allowed understanding the low values of nonlinear parameters measured on concrete samples that were kept in high moisture conditions. In order to find a specific characteristic of damage caused by ASR, the viscosity of ASR gel was used. An approach, based on static creep analysis, performed on the material, while applying the nonlinear resonance technique. The spring-damping model of Maxwell was used for the interpretation of the results. Then, the creep time was analysed on samples damaged by ASR. It appears that the ASR gel increases the creep time. Finally, the limitations of the nonlinear resonance technique for in situ application have been explained and a new applicable nonlinear technique was initiated. This technique use an external source such as a mass for making non-linearity behaviour in the material, while an ultrasound wave is investigating the medium.

Résumé : La connaissance de la fiabilité d’une structure dans sa durée de vie est d’une importance stratégique. Plusieurs méthodes non destructives ont ainsi été développées pour évaluer l’état des ouvrages en béton. Parmi ces techniques, les méthodes basées sur l’acoustique non linéaire ont démontré une performance satisfaisante en laboratoire pour détecter les microfissures de façon précoce. L’objectif de cette thèse consiste à apporter de nouvelles idées contribuant au développement de la méthode du saut temporel ultrasonore (en tant que méthode acoustique non linéaire) pour l’évaluation in situ des structures en béton. Ce travail porte plus particulièrement sur la caractérisation du béton atteint de réaction alcalis-silice (RAS). L’originalité de ce travail réside principalement dans l’utilisation des sollicitations naturelles auxquelles les ouvrages d’art sont soumis comme source d’excitation du milieu pendant l’application du saut temporel (ST). La sollicitation fournie par le passage d’un véhicule sur un tablier d’un pont est l’un des exemples de ces sources naturelles. Un programme expérimental a donc été mis sur pied, qui consiste en une phase d’étude au laboratoire et à une phase d’étude sur site. Deux dalles de béton réactif et une dalle de béton non réactif (1,40×0,75×0,3 m[indice supérieur 3]) ont été fabriquées en laboratoire afin d’évaluer l’idée générale de cette thèse. Pour générer les ondes d’excitation de basses fréquences requises pour les essais ST, un vérin hydraulique a été utilisé comme sources d’impact simulant le passage d’un véhicule. Avec ce protocole d’essais, la progression de la RAS a été caractérisée dans les dalles réactives. Il a été démontré que le ST peut détecter sans équivoque la RAS à partir d’une expansion de 0,03%. Les résultats montrent également que la perturbation des éléments structuraux par le passage d’un véhicule serait exploitable pour les investigations in situ. L’effet de la température sur le comportement acoustique non linéaire du béton a également été étudié : les mesures acoustiques non linéaires sont plus fiables dans une plage de température entre 10[degré]C et 30[degré]C. Des essais préliminaires ont été effectués sur le tablier d’un petit pont en béton. Les perturbations requises ont été fournies par le passage d’un camion dans une plage de vitesses variant de 20 km/h à 50 km/h; en utilisant deux types d’excitation (naturelle et amplifiée en utilisant des obstacles). Les résultats ont démontré qu’on peut appliquer la méthode ST sur site en utilisant l’excitation naturelle générée par un camion. Les expériences faites dans cette thèse révèlent la faisabilité de la méthode du ST pour évaluer l’état des structures en béton, notamment celles qui sont dégradées par la RAS. // Abstract : Reliability of a structure during its service life is strategically important. Several non-destructive methods have been developed to evaluate the condition of concrete structures. Among these techniques, the methods based on nonlinear acoustic have shown an excellent performance in laboratory for detecting micro-cracks at early ages. The objective of the thesis is to work on new ideas, which may contribute to develop the method of Ultrasonic Time Shift (as a nonlinear acoustic method) for evaluating concrete structures. This thesis focused was on concrete elements suffering from Alkali-Silica Reaction (ASR). The originality of the work is related to the idea that the natural vibrations, which exist in structures, can be used for perturbing structural elements during a Time Shift test. For instance, the vibration generated by a vehicle passing on a bridge is one of the examples of the natural resources of vibration. To reach the objective of this thesis, a research program was conducted in two phases: 1) experiments in laboratory; 2) field experiments. Two concrete slabs with reactive coarse aggregates and one with nonreactive aggregate were fabricated in the lab in order to assess the main idea of the thesis. A hydraulic actuator with an impact form loading pattern was used to generate low frequency waves (used to perturb the test-media) for tests of Time Shift (TS). Such loading pattern is similar to the loading imposed by a vehicle passing on a bridge deck. The progression of ASR-damage in the concrete slabs was successfully tracked using the developed methodology. It was shown that the TS can detect ASR from an expansion level about 0.03%.The results also show that the new methodology used for exciting structural elements can be used for field investigations. The effect of the temperature on nonlinear acoustic behavior of the concrete was also assessed. This investigation revealed that measurements in temperatures ranged from 10oC to 30oC can lead to better results. Some filed tests were carried out on a concrete slab of a small-size bridge. The required perturbations for the tests were provided by a truck. The velocity of the truck ranged from 20 km/h to 50 km/h.; using two types of perturbation (natural and exaggerated using some obstacles on surface). The results showed that the TS is an applicable method for field investigations, where the required perturbations are provided by a truck. The performed experimental program revealed the feasibility of the method of Time Shift for evaluating concrete structures, specifically those damaged by ASR.