A key requirement in evaluation of sliding stability of concrete dams is monitoring shear behavior of 1) concrete joints in dam body, 2) concrete-rock interfaces and 3) rock discontinuities in dam foundation. The methodology consisted of creating a database of observed shear behaviors of the mentioned joints using acoustic emission (AE) technique. Joint samples were fabricated by tension splitting of the cores and pouring concrete on rock joint replica for simulating concrete-rock interfaces. Variations of key parameters including joint geometry, normal stress, displacement rate and bonding percentage were incorporated in the analysis. An analysis was also carried out on natural joints from Daniel Johnson (Manic 5) Dam, Quebec, founded on gneiss to granitic rock. Parametric-based and signal-based analysis methods were used to evaluate the potential of AE for monitoring shear behavior of various kinds of joint with different characteristics. Using AE parameters such as amplitude, count, energy, duration and rise time, this study was done as a feasibility study for AE monitoring of sliding surfaces within dam, dam-rock interface or inside rock foundation. It was found that AE has a good capability for showing the initial shear movement of the non-bonded joints. For bonded joints this technique can show that AE activities are occurring before breaking of adhesive bond. This is important because recording AE signals after an initial breakage of the joint would be too late to install stabilization work to be done beforehand. Of course in the eventuality that a rupture includes a sequence of events even recording AE signals of the first break is still useful. It is recommended to use this method combined with other instrumentation methods (e.g. load measuring instruments) to detect the initial shear movement of the bonded joints. Following experimental work and analysis of crack propagation and asperity degradation along shearing process, four different periods were observed in shear stress-displacement behavior of joints. These periods are: 1) Pre-peak linear period in which AE activities are initiated and show the beginning of shear displacement, 2) Pre-peak non-linear period in which AE signals are generated from crack initiation and degradation of the secondary asperities, 3) Post-peak period where first order asperities are sheared off and joints pass their maximum shear strength and 4) Residual period in which AE activities decrease and reach their minimum values. The applicability. of AE localization technique was evaluated using image analysis and scanned surfaces of the joints by laser. The results indicated that this method can locate regions with rupture governing characteristics. This provides the possibility to reinforce support systems and be aware about possible structure failures before any unexpected mechanical disturbance.

Pour pallier les désagréments liés aux méthodes actuelles de décoffrage, une nouvelle technique basée sur la polarisation du béton a été développée. Le principe, basé sur le phénomène de l’électro-osmose, consiste à appliquer un potentiel électrique entre le ferraillage et le coffrage induisant ainsi le déplacement de l’eau vers l’interface béton/coffrage au niveau duquel se forme un film d’eau en mesure d’éviter l’adhérence du béton avec le coffrage. Ce dispositif a permis également de vérifier la mise en place et la reproductibilité du béton par le biais de la résistance électrique. Une étude de faisabilité a mis en évidence le déplacement de l’eau interstitielle ainsi que la possibilité de décoffrage. Afin d’assurer une bonne qualité des parements et du décoffrage, les paramètres de polarisation (valeur de la tension, moment et durée de son application) ont été optimisés en fonction de la température ambiante et de la formulation du béton. Pour une température supérieure à 20±2°C, les conditions de polarisation sont identiques quelle que soit la formulation du béton. A des températures inférieures à 20±2°C, l’ajout de l’accélérateur de prise a été à chaque fois nécessaire et la valeur de la tension à appliquer a dû être augmentée. L’ensemble des résultats a montré que l’épaisseur du film d’eau et la valeur de la conductivité du béton déterminent la qualité des parements et du décoffrage. L’application des conditions optimales donne des parements de qualité similaire, voire meilleure dans certains cas, que celle des parements obtenus avec les huiles actuellement utilisées.Forts de ces résultats, la technique a été transposée in-situ et a donné des résultats satisfaisants. / To overcome the inconveniences of current demoulding methods, a new technique based on the concrete polarization has been developed. The principle, based on the phenomenon of electro-osmosis, is to apply an electric potential between the reinforcement and formwork leading to water displacement to the concrete/formwork interface where a film of water, able to avoid the adhesion of the concrete with the formwork, is formed. This device also allowed verifying the casting and reproducibility of the concrete by using electrical resistance. A feasibility study proved the interstitial water displacement and demolding possibility. To obtain a good quality of facing and demolding, the polarization parameters (voltage value, time and duration of its application) have been optimized according to room temperature and concrete formulations. For temperatures above 20 ± 2 °C, the polarization conditions are the same for all the concrete formulations. At temperatures below 20 ± 2 °C, the addition of the accelerator was required at each time and the value of the applied voltage had to be increased. All results showed that the thickness of water film and the conductivity value of the concrete determine the quality of the concrete facings and demolding. The application of the optimal conditions provides a similar quality of concrete facings or even better in some cases, than those obtained with the demoulding oils currently used.With these results, the technique has been transposed in-situ and it gave satisfactory results.

L’utilisation des bétons secs représente de grands volumes de production au Québec. Pour des raisons techniques, économiques et environnementales, l’utilisation d’ajouts cimentaires dans ce type de béton est pratique courante. Le coût et la disponibilité de ces matériaux peuvent toutefois être un obstacle à leur utilisation. Ce projet vise donc à étudier la possibilité d’utiliser des matériaux alternatifs en remplacement partiel du ciment dans les bétons compactés au rouleau et les bétons moulés à sec. Les matériaux à l’étude sont : la poudre de verre, des poussières de pierre calcaire et des poussières de béton concassé. Les bétons compactés au rouleau fabriqués en laboratoire sont représentatifs des mélanges typiques utilisés pour la fabrication de pavages. En fonction de leur maniabilité, ces bétons se divisent en deux catégories distinctes : les bétons compactés au rouleau (BCR) et les bétons compactés à la paveuse (BCP). Les essais réalisés sur ces bétons permettent d’évaluer l’influence de la poudre de verre et des poussières de concassage sur la maniabilité du béton frais, la résistance à la compression, la résistance à la flexion et la pénétration des ions chlore. Les bétons moulés à sec fabriqués en laboratoire sont représentatifs des mélanges utilisés par l’industrie pour la fabrication de pavés. Les essais réalisés sur ces bétons permettent d’évaluer l’influence de la poudre de verre et des poussières de concassage sur la maniabilité du béton frais, l’absorption, la masse volumique, la résistance à la compression et la résistance à la traction. Des blocs de maçonnerie et des pavés ont été fabriqués en usine pour évaluer le potentiel d’utilisation de la poudre de verre en remplacement cimentaire. La masse volumique, l’absorption et la résistance à la compression ont été mesurées en laboratoire sur ces éléments. La résistance à l’écaillage a été mesurée sur les pavés.

Nous avons donc proposé dans cette thèse une stratégie pour suivre l’évolution des fissures dans une structure en béton précontraint. L'objectif principal est de définir des briques de modélisation permettant d'étudier le comportement des fissures dans les enceintes de confinement des centrales nucléaires. Chaque brique de modélisation permet ainsi de représenter un phénomène non-linéaire présent dans ces structures : la fissuration du béton, les grilles d'armatures, les cables de précontrainte, la décohésion de l'acier dans le béton ainsi que le vieillissement du béton. Elles ont été validées grâce à plusieurs essais expérimentaux et appliquées à différentes zones. de l'enceinte de confinement pour simuler l'amorçage et la propagation des fissures. Enfin, une stratégie pour définir un état initialement fissuré a été développé à l'aide de ces différentes briques ainsi qu'une méthode de zoom pour reproduire les conditions limites de la précontrainte et la montée en pression sur une partie de l'enceinte. / The difficulty of predicting cracks on reinforced concrete structures is due to the heterogeneity of the concrete and the dependence on environmental boundary conditions. To overcome this problem, we introduce directly a potential crack at the initial time, using cohesive zone models. A major difficulty will be to juggle the cohesive zone models describing cracking and the phenomena of creep and drying, and thus to consider three types of nonlinearities appearing in the calculation : cracking, decohesion of steelconcrete and creep. We also propose a strategy to represent an initially cracked structure. In this thesis, the crack behavior in different parts of the confinement building are modeled using the above described method.

Ce travail est consacré à l'étude de la rhéologie des bétons fluides. On relate le développement d'un rhéomètre à béton prototype de conception nouvelle, BT RHEOM. Le principe et la mise au point de l'appareil, ainsi que les différentes conduites des essais rhéologiques, sont décrits. Des études visant à estimer l'objectivité des mesures sont présentées. On envisage ensuite quelques études expérimentales avec le BT RHEOM. Les comportements des bétons frais, sans et avec vibration, sont étudiés. Dans la plage de gradient de vitesse étudiée, ils respectent en général le modèle de Bingham, sous réserve que la consistance des bétons satisfasse certaines conditions, et que l'homogénéité des bétons soit acceptable. Les phénomènes de thixotropie et de dilatance des bétons sont ensuite discutés. On s'intéresse également à l'influence des paramètres de composition du béton sur le comportement rhéologique de ce dernier. On établit ainsi un modèle ayant pour objet l'estimation de la viscosité plastique des bétons à hautes performances, fournissant une aide à la formulation du béton. Enfin, avec les caractéristiques intrinsèques d'un béton mesurées au BT RHEOM, on tente de modéliser un problème de chantier : le pompage du béton. On montre également une autre application de ce rhéomètre : la mise au point des formulations de BHP.

Les bétons de hautes performances, de consistance ferme à plastique, développent des résistances mécaniques à long terme très élevées. Cependant, ils présentent l'inconvénient d'un remplissage difficile dans des zones fortement ferraillées des piles du viaduc de Millau, dont l'ensemble des armatures constitue un réseau d'obstacles à la mise en place par vibration. Pour garantir un remplissage total des coffrages, le recours aux bétons fluides autoplaçants a été la voie adoptée, avec maintien des performances mécaniques et de la durabilité. Une caractérisation des propriétés rhéologiques (fluidité et capacité de passage entre les armatures) à l'échelle du béton fournit des bases physiques aux phénomènes impliqués dans la transition entre un matériau de consistance ordinaire et un matériau fluide, et apporte une meilleure compréhension des modifications de formulation (fraction volumique solide, rapport Gravillons/Sables) et de leurs conséquences. La stabilité et la thixotropie engendrée par la partie fine où coexistent ciment, fines des sables et divers types de fillers et superplastifiants, jouent aussi un rôle important sur la fluidité et stabilité du béton. Toutefois, des mesures de retrait, sous conditions de séchage, soulignent l'incidence de la fraction volumique granulaire dans le développement de forts retraits menant à une fissuration précoce du béton. Ainsi, le remplacement d'une partie du ciment par des fillers minéraux moins réactifs a été le chemin suivi. Des mesures d'analyses thermiques identifient les raisons microstructurales d'un tel maintien des résistances malgré les modifications de formulation, par rapport à l'évolution de la physico-chimie.

Dans un contexte où le développement durable est devenu une priorité majeure, les entreprises du secteur du bâtiment doivent faire face, à de nouvelles exigences en termes de respect de l’environnement. En particulier, lors de la mise en œuvre du béton dans les coffrages, une huile de démoulage d’origine minérale faiblement biodégradable est couramment utilisée comme couche séparatrice anti-adhérente. La nature de cette huile génère des risques importants de pollution environnementale. De nouvelles formulations d’huile de décoffrage d’origine végétale ont ainsi été développées.L’apparition de cette nouvelle gamme de produit nécessite une connaissance suffisante de leur comportement à l’interface béton/huile/coffrage. Ce mémoire contribue à l’étude de l’influence de la formulation du béton sur le comportement tribologique à l’interface béton/coffrage en présence de deux huiles de démoulage de nature différente (une huile végétale et une huile minérale). La zone du béton à l’approche du coffrage a été étudiée à l’état durci et frais sans huile de démoulage. Tout d’abord, l’évolution de la densité apparente du béton à l’approche d’une paroi a été évaluée en fonction de la pression de contact et du volume de pâte. Puis, une analyse complète de cette zone à l’interface à l’état frais a été réalisée afin d’estimer le rapport E/L et la quantité de pâte mobilisée à l’approche de la paroi coffrante. Une étude physico-chimique a été effectuée en reconstituant les milieux interstitiels de l’interface béton/huile/coffrage contenant un dosage différent en superplastifiant et en huile. Plusieurs techniques adaptées à ces milieux complexes, ont été utilisés afin d’évaluer la formation de savons et de déterminer la stabilité des émulsions obtenues. Cette thèse se conclue par une étude du frottement du béton frais contre une paroi coffrante avec et sans huile de démoulage à l’aide d’un tribomètre plan/plan. Plusieurs formulations de béton sont étudiées. Les résultats obtenus ont permis de comprendre le mode d’action des éléments fins et le dosage en superplastifiant aux interfaces béton/coffrage et béton/huile/coffrage. Dans le cas de l'huile d'origine végétale, le savon formé à partir des esters et des acides gras contribue à réduire les frottements en stabilisant l’émulsion et en organisant l’interface. Cependant, la présence du superplastifiant est indispensable pour avoir des performances élevées dans le cas de l’huile minérale. / In a context where sustainable development has become a major priority, the companies in the building field must face to new requirements in terms of respect of the environment. In particular, during the concrete pouring, a mineral release agent, poorly biodegradable is currently used as separating layer non-stick. The nature of this oil creates significant risks of environmental pollution. New formulations of release agent of vegetable origin were developed.The appearance of this new product range requires a sufficient knowledge of their behavior at the interface concrete/release agent/formwork. This report contributes to the study the effect of the concrete composition on the tribological behavior at the interface concrete/formwork with two release agents of different nature (vegetable release agent and mineral release agent). The zone of concrete near the formwork was studied without release agents. First, the evolution of the density of the concrete at the approach of a wall was evaluated as a function of the contact pressure and the past volume. Then, a comprehensive analysis of this fresh layer was carried out to estimate the W/B ratio and the amount of paste mobilized close to the formwork. A physicochemical study was performed by reconstituting the interstitial medium of the interface concrete/release agent/formwork containing a different dosage of oil and superplasticizer. Several adapted techniques to these complex medium were used to evaluate the formation of soaps and to determine the stability of the obtained emulsions. This thesis ends with a study of the friction of fresh concrete against the formwork with and without release agent using a plan/plan tribometer. Many formulations of concrete are studied. The results were allowed to understand the mechanism of action of the fines element and the dosage of superplasticizer at the interfaces concrete/formwork and concrete/release agent/formwork. In the case of vegetable release agent, the soap formed from the esters and fatty acids contributes to reduce the friction by stabilizing the emulsion and organizing the interface. However, the presence of the superplasticizer is necessary to obtain a high performance for the mineral release agent.

S’inscrivant dans la volonté du Ministère des Transports du Québec d’utiliser le béton léger dans des travaux de réparation, mais également pour de nouvelles structures, l’objectif principal de ce projet réside dans l’établissement d’une base scientifique offrant une meilleure compréhension des propriétés clés de ce matériau. Plusieurs volets expérimentaux ont donc été effectués dans le but de caractériser les propriétés mécaniques, le risque de fissuration et les résistances au gel-dégel et à l’écaillage d’un béton fabriqué avec des gros granulats de schiste expansé. Deux paramètres se trouvent au coeur de cette étude : d’une part, la teneur en eau des granulats légers, d’autre part, la quantité d’eau qu’ils relâchent et devant être comptée dans le rapport E/L (MAD). Les résultats expérimentaux de cette étude démontrent la possibilité de fabriquer au Québec un mélange de béton léger avec des propriétés mécaniques et une durabilité au gel satisfaisantes, bien que l’estimation du paramètre MAD soit encore mal maitrisée et ceci, d’autant plus que la teneur en eau effective des GL est élevée. / Over the years, lightweight aggregate concrete (LWAC) has been used in many building projects, notably in the USA and Nordic countries, but only in a few in Quebec. The aim of this project is to establish a better understanding of the fundamental properties of LWAC for a possible use in repairs and new structural projects. Several experimental phases were conducted in order to evaluate the mechanical properties, the cracking risk, the resistance of rapid freezing and thawing and the scaling resistance of a LWAC made with expanded shale coarse aggregate. We focused on two factors: the LWA water content and the evaluation of the quantity of water from LWA counted in the water/binder ratio. The experimental results show that, even if the understanding of the movements of water around the LWA is not yet total, mechanical properties and durability meeting structural standards can be obtained. For many properties like the cracking risk and the freezing resistance, LWAC are even better than usual concrete.

La dégradation des infrastructures routières en béton armé est un sujet préoccupant pour des organismes de gestion des ouvrages d’art comme le Ministère des Transports du Québec (MTQ). En effet, la croissance des charges et du volume de trafic routier combinée à l’exposition d’agents agressifs a mené à un vieillissement accéléré de certaines structures. En parallèle, les connaissances nouvelles dans le domaine des mécanismes de résistance, notamment l’effet d’échelle en cisaillement, questionnent la capacité de plusieurs structures à reprendre les charges dont les ponts à dalle épaisse sans armature de cisaillement. L’effondrement du viaduc de la Concorde en 2006, constitué en partie de dalles épaisses sans armature de cisaillement, a mis en évidence la nécessité de mettre en place et développer des techniques de renforcement en cisaillement adaptées à ce type de structure. Une méthode a été étudiée à l’Université Laval qui consistait à introduire des barres d’armature verticales enduites d’époxy dans des trous percés depuis la face supérieure de la structure. Le projet actuel pousse plus loin l’expérience en étudiant un espacement longitudinal différent et en incluant diverses méthodes d’ancrage pour les barres verticales. Pour réaliser cette étude, cinq tranches de dalle de géométrie identique ont été construites. Chacune de celles-ci ont ensuite été renforcées selon les diverses techniques. L’ensemble des corps d’épreuve a été soumis à des essais de flexion en trois points pour déterminer le comportement sous sollicitation en cisaillement. Parallèlement, des tests d’arrachement ont été effectués pour caractériser l’ancrage chimique époxydique utilisé. Les résultats montrent que, parmi les méthodes de renforcement étudiées, les deux méthodes nécessitant un perçage depuis la face inférieure des corps d’épreuve sont trop complexes à mettre en place en comparaison au gain de résistance obtenu. Également, on conclut que les ancrages mécaniques sont moins performants que les ancrages chimiques. Plus encore, avec un espacement longitudinal adéquat, l’utilisation de barres enduites d’époxy insérées depuis la face supérieure d’une dalle engendre un comportement structural similaire à celui d’une dalle avec des étriers standards conformes à la norme en vigueur (CAN/CSA-S6-06, 2006). La dispersion des fissures et la réserve de capacité suite à la rupture montrent que cette méthode a beaucoup de potentiel. / The degradation of concrete infrastructure is a major concern for organizations such as the Ministère des Transports du Québec (MTQ) which is managing a large network of bridges and transport infrastructure. In recent decades, growth in loads and volume of traffic combined with exposure to aggressive agents caused a rapid deterioration of some of these structures. In parallel, the knowledge in the field of resistance mechanisms, including the scale effect in shear, question the capacity of several structures, such as thick slab bridges without shear reinforcement, to handle traffic loadings. The collapse of the Concorde overpass in 2006, initiated at a thick slab portion without shear reinforcement, highlighted the need to develop a strengthening technique for shear for this type of structure when appropriate. A method was tested at Laval University where vertical reinforcing bars coated with epoxy where inserted in holes drilled from the top face of the structure. The current project furthers the experience by studying a different longitudinal spacing including various methods for anchoring the vertical bars. For this study, five slices of slab with identical geometry were built. Each of these slabs was then reinforced by the various techniques studied. The set of test bodies were loaded in a three-point bending set up to determine the behavior under shear. Meanwhile, pull-out tests were performed to characterize the chemical epoxy anchor used. The results show that both methods requiring drilling from the underside of the slabs tested are too cumbersome to be implemented relative to the resistance gain obtained. Also, the study showed that mechanical anchors are less efficient than chemical anchors. More so, it was found that with an adequate longitudinal spacing, epoxy coated bars inserted from the slab top surface provided a slab behavior similar to the one with stirrups in accordance with the relevant standard (CAN/CSA-S6-06, 2006). The dispersion of cracks and observed reserve capacity following the failure shows that this method has great potential.

Les méthodes de surveillance et d'inspection des structures en béton sont indispensables pour évaluer les dégradations du béton. L'étendue des dommages peut entraîner des frais considérables pour l'entretien et la réparation. Les techniques d'évaluation non destructives du béton durci aident à contrôler l'état de dégradation des structures de béton et ces résultats fournissent l'information nécessaire pour mettre en place l'entretien éventuel et les réparations nécessaires. Cette étude concerne l'utilisation des méthodes d'investigation basées sur la propagation des ondes de surface Rayleigh pour la caractérisation non intrusive des structures de béton. Des simulations numériques ont été effectuées pour examiner la propagation des ondes élastiques sur une dalle de béton afin de caractériser cette structure en utilisant la méthode MASW ( Modal Analysis of Surface Waves ). La technique MASW a été développée à l'Université de Sherbrooke pour le domaine de la géotechnique et du contrôle des infrastructures civiles. Les résultats des simulations numériques ont démontré plusieurs aspects importants dans la formation et la propagation des ondes de Rayleigh pour caractériser les couches de béton en profondeur.