Les bétons alcali-activés à base de laitiers de haut-fourneau et de cendres volantes offrent une alternative à plus faible empreinte écologique au béton de ciment portland. Ainsi, ces bétons dits alcali-activés utilisent des précurseurs à base d’aluminosilicate qui se veulent souvent des résidus industriels en remplacement complet du ciment portland. Ces nouveaux bétons sont des alternatives intéressantes aux bétons usuels, mais le manque de données sur leur durabilité est un frein majeur à leur utilisation. Le but de cette recherche doctorale est d’évaluer la durabilité de ces bétons quant à leur performance aux cycles de gel-dégel, à la résistance à l’écaillage en présence de sels déglaçants, aux changements volumétriques et face à la réaction alcalis-silice. La présence de microfissures en bas âge dans la matrice durcie des bétons alcali-activés résulte vraisemblablement du phénomène de retrait endogène. La quantification de cette microfissuration précoce a été possible via l’application de la méthode d’analyse du Damage Rating Index (DRI) qui a permis de mettre en évidence qu'une augmentation croissante de la teneur en cendres volantes du précurseur se traduit par une diminution de l’ampleur de cette microfissuration. La taille moyenne des pores mesurée des systèmes alcali-activés étudiés est inférieure aux valeurs des systèmes à base de ciment portland et la concentration élevée en ions sodium de la solution interstitielle font augmenter les tensions de surface générées dans les pores lors du phénomène d’autodesiccation. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes de ces travaux ne montrent aucun endommagement après 300 cycles de gel-dégel (Procédure ASTM C 666) avec ou sans l’utilisation d’un agent entraineur d’air. Ces mêmes bétons n’offrent toutefois pas une performance acceptable face à l’écaillage en présence de sels déglaçants avec des masses moyennes écaillées largement supérieures à la limite BNQ de 0,5 kg/m². La présence de microfissures, le ressuage, le lessivage des alcalis et la carbonatation en surface sont trois phénomènes observés qui peuvent expliquer les piètres performances à l’écaillage en présence de sels déglaçants. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes offrent différents niveaux de performance face à la réaction alcalis-silice en fonction de la teneur en cendres volantes (20, 30 et 40 %). Une augmentation de la fraction de cendres volantes se traduit par une diminution de l’expansion pour tous les différents granulats réactifs testés. Les bétons alcali-activés laitiers/CV incorporant des granulats réactifs (réactivité moyenne à extrême) montrent des endommagements allant de négligeables à marginaux après 2 ans (CSA A23.2-14A/28A). / Alkali-activated slag and fly ash-based concretes offer a low environmental footprint alternative to conventional portland cement-based concretes. These new materials use aluminosilicate-based precursors that are mostly industrial by-products in replacement of portland cement. To initiate the dissolution of these precursors and the subsequent cohesive paste formation, a highly alkaline solution is needed as activator. Although promising in terms of mechanical properties and chemical attack resistance, more research is needed to validate their long-term durability. Therefore, the main objective of this doctoral research is to evaluate the durability of alkali-activated slag/fly ash concretes regarding volumetric variations, freeze-thaw cycling, surface scaling in presence of deicing salts and alkali-aggregate reactivity. The presence of early-age microcracking in the hardened alkali-activated paste phase of these concretes seems to result mostly from the phenomenon of autogenous shrinkage. The quantification of this early-age microcracking through the Damage Rating Index (DRI) method showed that increasing fly ash contents in alkali-activated slag/fly ash systems results in decreasing values of DRI. When compared to portland cement-based systems, alkali-activated slag/fly ash systems show lower average pore sizes and higher sodium concentrations in their pore solution which both increase the surface tensions generated by self-desiccation. The alkali-activated slag/fly ash concretes of this study show no significant damage when exposed to 300 freeze-thaw cycles (ASTM C 666 Procedure) with or without the use of an air entraining admixture. However, these concretes offer poor performance when exposed to de-icing salts (in freeze-thaw conditions) with average scaling masses largely over the 0.50 kg/m² BNQ limit. Earlyage microcracking, alkali leaching and surface carbonation were observed on all the tested specimens and could explain the overall poor performance of these concretes to surface scaling in presence of de-icing salts. The performance of alkali-activated slag/fly ash concretes with regards to alkalis-silica reaction in the presence of reactive aggregates is mostly influenced by the fly ash content (20, 30 and 40 %). For all the tested reactive aggregates, increasing the fly ash content results in decreasing expansion values. Petrographic examinations (DRI) following the expansion testing confirms the presence of negligible to marginal damage after 2 years of testing in these concretes when incorporating moderately to extremely reactive aggregates.

La réaction alcalis-granulats touche beaucoup de structures très importantes au Québec et aussi à travers le monde. Pour que cette dernière se produise, trois conditions essentielles doivent être remplies : les granulats utilisés doivent contenir des phases réactives, la teneur en alcalis du béton doit être suffisamment élevée et l’humidité relative à laquelle le béton est exposé doit être de plus de 85%. Il a été observé par le passé que lorsqu’un ciment à basse teneur en alcalis est utilisé en combinaison avec certains types de granulats réactifs, le développement de la réaction est grandement limité. Or, cette méthode préventive n’est pas efficace pour tous les types de granulats et une hypothèse expliquant ce phénomène stipule que les alcalis permettant à la réaction de subsister à travers le temps sont libérés dans la solution interstitielle par les granulats eux-mêmes. Beaucoup d’études ont été menées par le passé afin de tenter de confirmer ou d’infirmer cette affirmation. Les expériences, consistant à immerger des granulats dans des solutions d’attaque de composition se rapprochant de celle de la solution interstitielle du béton, ont montrées que les matériaux granulaires sont bien susceptibles de libérer des alcalis à travers le temps lorsqu’ils sont en présence d’un milieu fortement basique. Or, très peu d’expériences ont été menées afin de vérifier la véracité des résultats dans un béton réel. Ainsi, dans la présente étude, des échantillons de mortier et de béton ont été confectionnés en utilisant six différentes sources granulaires. Parmi celles-ci, quatre sont non réactives et possèdent des teneurs variées en alcalis. Ces dernières ont été utilisées de façon à déterminer la contribution réelle des granulats à la solution interstitielle du béton à travers le temps. Aussi, deux granulats réactifs, possédant des teneurs variées en alcalis, ont été utilisés de façon à déterminer l’influence d’un relâchement d’alcalis par les granulats sur l’évolution de l’alcalinité de la solution interstitielle à mesure que la réaction alcalis-granulats progresse. Afin de déterminer l’avancement de la réaction alcalis-granulats dans le temps, l’expansion des échantillons confectionnés avec les granulats réactifs a été mesurée tout au long de l’expérimentation. Deux méthodes ont été utilisées en vue de déterminer le contenu en alcalis des échantillons à travers le temps, soit la méthode d’extraction sous haute pression et la méthode espresso. Afin de comparer les résultats avec les études antérieures, les granulats ont également été soumis à un essai d’immersion en solution alcaline. Au final, un granulat a été clairement identifié comme source potentielle de Na+ à la solution interstitielle. En effet, les résultats obtenus ont permis de constater qu’un granulat riche en alcalin peut libérer jusqu’à 1,75 kg Na2O/m3 de béton lorsqu’utilisé comme un sable et jusqu’à 0,24 kg Na2O/m3 de béton lorsqu’utilisé comme fraction grossière après un an à 38ᵒC, démontrant clairement que la fraction fine est beaucoup plus susceptible de libérer des alcalis. Par contre, aucune contribution claire en ion K+ n’a pu être observée. Aussi, bien qu’un faible relâchement de sodium a été observé dans les échantillons confectionnés avec l’un des granulats réactifs, aucun effet n’a été observé sur la progression de l’expansion engendré par le développement de la réaction alcalis-granulats sur les échantillons de béton et de mortier associés. Il a été possible d’évaluer la quantité de sodium incorporée dans les produits de réaction à près de 0,20 kg Na2O/m3 de mortier pour une expansion de 0,08%. / Alkali-aggregate reaction affects many important concrete structures in Québec and also around the world. This reaction needs three essential conditions to occur: Aggregates used in the manufacture of concrete contains reactive phases, the alkali content of the concrete is high enough and the concrete is exposed to more than 85% relative humidity conditions. In the past, it was found that when low alkali cement was used in combination with some types of aggregates, the progression of the reaction is greatly restrained. However, the efficacy of this preventive method varies greatly from one aggregate to another. Thus, a hypothesis explaining this phenomenon states that alkalis allowing triggering the reaction can be leached into the pore solution of concrete from aggregates themselves. Many studies were conducted in the past in order to confirm or dismiss this hypothesis. Experiments, consisting in an immersion of aggregates in attack solutions of a chemical composition comparable to the pore solution of concrete, showed that aggregates can release alkalis through time in high pH environment. However, very few experiments were conducted in real concrete in order to verify the veracity of the results obtained. Thus, in the present study, mortar and concrete samples were made using six different aggregate sources. Four of these aggregates are non-reactive and contain various amounts of alkalis. Those were used in order to determine the real alkali contribution by aggregates to the pore solution of concrete through time. Also, two reactive aggregates, containing various amounts of alkalis, were used to determine the influence of an alkali release by aggregates on the evolution of the alkalinity of the pore solution along with the development of the alkali-aggregate reaction. In order to determine the progression of the alkali-aggregate reaction through time, the expansion of specimens made with reactive aggregates was monitored. Two methods were used to determine the alkali content of mortar and concrete samples through time: the high pressure extraction and the espresso extraction method. To compare results with those of previous studies, aggregates were also submitted to an immersion in alkaline solutions. One aggregate was clearly identified as a potential source of Na+ to the pore solution of concrete. Indeed, results obtained showed that rich alkali-bearing aggregate can release up to 1.75 kg Na2O/m3 of concrete if used as fine fraction and up to 0.24 kg Na2O/m3 of concrete if used as coarse fraction after one year at 38ᵒC. These results show that the fine fraction used in the concrete manufacturing is more susceptible to release alkali through time than the coarse one. However, no clear contribution in K+ ion was observed. Also, even if a small sodium release was observed in specimens made with one of the reactive aggregates, there is no evidence that this release affected the expansion caused by the progression of the alkali-aggregate reaction on associated concrete and mortar specimens. It was also possible to evaluate the amount of sodium trapped into reaction products to approximately 0.20 kg Na2O/m3 of mortar for a 0.08% expansion.

La réaction alcalis-granulat (RAG) fait partie des principaux processus affectant la durabilité des infrastructures en béton à travers le monde. Récemment, des chercheurs ont proposé un outil global de gestion (diagnosis et prognosis) de structures affectées par la RAG basé sur une série d’essais de laboratoire, incluant le Stiffness Damage Test (SDT) et le Damage Rating Index (DRI), des procédures micromécaniques d’évaluation de l’endommagement du béton. Quoique prometteurs, ces essais impliquent plusieurs paramètres dont l’impact n’est pas encore bien compris, ce qui réduit leur applicabilité à une vaste gamme de bétons (e.g. différentes formulations, types de mécanismes d’endommagement, variétés de granulats, etc.). Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre le mécanisme par lequel la RAG se développe et comment elle influence les propriétés physicomécaniques des bétons affectés, afin de pouvoir utiliser efficacement les outils mentionnés précédemment dans les contextes pratiques d’ingénierie. Pour atteindre cet objectif, des éprouvettes de béton de différentes résistances (25-45 MPa) et incorporant une variété de granulats réactifs et non réactifs (fins et grossiers) ont été fabriquées en laboratoire. Des essais mécaniques (SDT, traction, compression et module d’élasticité) et microscopiques (DRI) ont ensuite été effectués sur ces éprouvettes, à différents niveaux d’expansion, de façon à favoriser le caractère diagnostique optimal de chaque outil. Puis, le couplage micromécanique des résultats a été étudié en profondeur. Les résultats démontrent que le SDT et le DRI permettent une évaluation diagnostique de l’endommagement associable à la RAG lorsqu’un certain nombre de paramètres critiques sont respectés. Les données optimales de sortie de ces essais sont ainsi basées sur des mesures « mécaniques » (énergie dissipée/déformation plastique, valeurs brutes ou indices relatifs) ou microstructurales (nombre/type de fissures) au sein des bétons affectés. En plus, un modèle microstructural qualitatif de l’endommagement de bétons en fonction de l’avancement de la RAG a été proposé. De même, le couplage micromécanique a permis d’expliquer efficacement l’influence de ce mécanisme sur les pertes de propriétés mécaniques de bétons affectés. Finalement, une charte permettant l’évaluation globale de l’endommagement de bétons affectés par la RAG est proposée. Mots clés: Réaction alcalis-granulat (RAG), couplage microscopique/mécanique, évaluation de l’endommagement des infrastructures en béton vieillissantes. / Alkali-aggregate reaction (AAR) is one of the main processes affecting the durability of concrete infrastructures worldwide. Recently, researchers proposed a comprehensive management tool for the diagnosis and prognosis of AAR affected structures based on a series of laboratory test procedures, including the Stiffness Damage Test (SDT) and the Damage Rating Index (DRI), micromechanical procedures for assessing damage in concrete. Although promising, these tests still have several parameters whose impact is not well understood, which reduces significantly their applicability for a wide range of distressed concretes (i.e. different concrete mix designs, damage mechanisms, variety of aggregate types, etc). This PhD project aims at better understanding how AAR develops and influences the physicomechanical properties of affected concrete, in order to use more effectively the tools mentioned previously in practical engineering applications. To achieve this goal, concrete samples of different mix design strenghts (25-45 MPa) incorporating a wide variety of both reactive and non-reactive aggregates (coarse and fine) were manufactured in the laboratory. Mechanical (SDT, tensile and compressive strengths and modulus of elasticity) and microscopic (DRI) tests were then performed on these samples at different expansion levels, in order to determine the optimal conditions enabling the effective diagnostic character through each tool. Then, the micromechanical coupling of the results was studied in depth. The results show that both the SDT and the DRI are able to provide a diagnostic damage assessment of concrete distressed due to AAR when a number of critical parameters are adopted. The optimal output data from those procedures are thus based on either "mechanical" (dissipated energy/ plastic deformation, absolute values or indices) or microstructural (number /crack types) measurements on the affected material. Moreover, a qualitative microscopic damage model towards AAR development was proposed. Likewise, the above micromechanical coupling allowed to effectively explaining the impact of AAR on the reductions of the mechanical properties of affected concretes. Finally, a comprehensive chart enabling the overall damage assessment of concrete affected by AAR is proposed. Keywords: alkali-aggregate reaction (AAR), microscopic/mechanical coupling, assessment of damage in aging concrete infrastructure.

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.

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.

Certains ajouts minéraux, lorsque bien dosés, réduisent les expansions causées par les réactions alcalis-granulats. Cependant, les mécanismes de réaction de ces matériaux ne sont pas bien connus et, pour déterminer leur performance, on doit faire de longs essais. Le but de cette recherche est de déterminer le rôle des ajouts minéraux face aux réactions alcalis-granulats et de mettre au point des essais accélérés d'évaluation de leur performance à cet égard. Pour réaliser cette recherche, deux granulats très réactifs et six ajouts minéraux ont été sélectionnés. Le choix spécifique des matériaux repose sur des différences observées aux points de vue composition chimique et performance connue face aux réactions alcalis-granulats. Deux fumées de silice, trois cendres volantes et un laitier de haut-fourneau ont été étudiés. La performance des ajouts minéraux face aux réactions alcalis-granulats a été déterminée à partir de l’essai du prisme de béton ACNORA 23.2-14A. Les mélanges ciment + ajout qui montrent une expansion inférieure à la limite de 0,047c après deux ans sont considérés comme étant à l'abri des réactions alcalis-granulats. Un critère encore plus conservateur est d'exiger une expansion inférieure ou égale à celle d'un témoin à basse teneur en alcalis. L'efficacité des ajouts minéraux peut aussi être évaluée par l'essai de mortier accéléré et l'essai à l'autoclave utilisant un critère d'expansion de 0,1% après 14 jours et 5 heures de cure, respectivement. Les deux méthodes se sont avérées de bons outils pour déterminer le dosage minimum requis en ajouts minéraux pour réduire les expansions sous une limite acceptable. Cependant, la méthode à l'autoclave semble trop sévère pour les cendres volantes. L'essai de mortier accéléré est préférable pour l'évaluation de ce type d'ajouts. De même, l'essai à l'autoclave s'est avéré meilleur pour déterminer le dosage requis en fumées de silice, l'essai accéléré s'étant montré trop peu sévère pour ce type d'ajout. L'étude des mécanismes de réaction des ajouts minéraux a montré que les ajouts minéraux libèrent presque tous leur alcalis. Cependant, la plupart des ajouts génèrent une concentration en alcalis dans la solution interstitielle plus faible que celle du témoin (sans ajout) même s’ils contiennent plus d'alcalis que le ciment qu'ils remplacent. Ceci démontre que les ajouts sont capables de trapper des alcalis. Bien plus, de nombreux ajouts trappent plus d’alcalis qu'ils peuvent en libérer. Une bonne corrélation a été établie entre la réduction de la concentration en alcalis de la solution interstitielle et la réduction d'expansion due aux réactions alcalis-granulats. Par contre, aucune corrélation n ’a été obtenue entre la réduction des teneurs en portlandite et la réduction d ’expansion. La teneur en portlandite ne semble qu’un indice de l'activité pouzzolanique des ajouts. Les résultats obtenus lors de cette étude montrent que le rôle bénéfique des ajouts minéraux réside dans leur capacité de baisser la concentration en alcalis de la solution interstitielle sous un certain niveau. La teneur en alcalis des ajouts minéraux doit donc être le plus faible possible et le dosage en ajouts suffisant pour permettre qu’une quantité suffisante d'alcalis soit trappée dans les hydrates de réaction. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2015

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.