Ce mémoire porte sur les surfaces préparées en béton en vue de travaux de réfection. L’objectif principal vise le développement d’une méthode de caractérisation quantitative des surfaces préparées. Le projet comporte également deux objectifs spécifiques : évaluer l’influence des méthodes de préparation sur l’intégrité des surfaces en béton et vérifier l’existence d’une corrélation entre la rugosité de surface et l’adhérence de réparations en béton. Afin d’atteindre ces objectifs, le projet a été divisé en trois principaux volets où plusieurs essais expérimentaux ont été réalisés, ainsi qu’une modélisation de l’essai d’adhérence. Le premier volet expérimental porte sur l’évaluation de l’intégrité des surfaces préparées. Les essais ont démontré que l’endommagement du béton réduit de manière significative la résistance de la surface préparée. Le second volet présente les résultats qui ont conduit au développement et à la validation d’une nouvelle méthode d’évaluation quantitative des surfaces préparées. La méthode permet de réaliser des essais de caractérisation rapidement (environ 2 heures) sur des surfaces tant horizontales, verticales qu’en surplombs. Le troisième volet expérimental comporte l’étude de la rugosité de surface et de l’adhérence des réparations en béton. Ce dernier volet inclut une partie expérimentale et une partie modélisation. Les résultats montrent que l’endommagement du substrat est beaucoup plus critique que la rugosité de surface. En effet, aucune corrélation entre la rugosité de surface et l’adhérence des réparations en béton n’a été observée à l’échelle d’observation étudiée. Pour terminer, des recommandations sont émises concernant les critères d’acceptation relatifs à la préparation de surface et à l’adhésion en place d’une réparation. / The subject of this master is surface preparation of concrete for repair works. The main objective aims at developing a quantitative characterization method for the prepared surfaces. The project also includes two specific objectives: evaluate the influence of preparation methods on the integrity of concrete surfaces and verify the existence of a correlation between the surface roughness and the bond of the concrete repair. In order to achieve these goals, the project was divided into three parts where several experimental tests were carried out, as well as a modeling of the bond test. The first experimental part evaluates the integrity of the prepared surfaces. The tests revealed that damage in concrete decreases significantly the resistance of the prepared surface. The second part presents the results on the development and validation of a new quantitative evaluation method of prepared surfaces. The method makes it possible to quickly carry out characterization tests (approximately 2 hours) on prepared surfaces (horizontal, vertical or overhanging). The third experimental part deals with the study of the surface roughness and the bond of concrete repairs. This last segment includes an experimental and modeling part. The results show that substrate damage is more critical than surface roughness. In fact, no correlation between surface roughness and bond of concrete repairs was observed on the studied observation scale. Finally, recommendations are given for acceptance criteria relating to the surface preparation and adhesion of the in place repair.

L’intérêt envers le développement durable s’est accru dans les dernières décennies avec la découverte de sérieux défis environnementaux. D’autre part, des recherches récentes dans le domaine du béton projeté ont contribué à la transition vers des mélanges permettant de répondre à ces nouveaux défis. Dans ce contexte, ce projet de recherche vise à développer et étudier plusieurs mélanges de béton projeté à valeurs environnementales ajoutées afin d’offrir à l’industrie des alternatives aux mélanges conventionnels. D’abord, des mélanges à haute efficience contenant des agents rhéologiques ont été évalués afin de réduire les pertes liées au rebond en béton projeté. L’aluminosilicate de magnésium (ASM) a réduit le rebond d’environ 10%, mais a généré des problèmes de résistance et de durabilité liés aux rapports E/L élevés. L’ajout de superplastifiant a augmenté le rebond de plus de 20% puisqu’il ne permettait pas d’augmenter la teneur en eau du béton sans affecter sa stabilité. La gomme de diutane n’a pas semblé être activée dans la projection par voie sèche. Des mélanges préhumidifiés ont été testés afin d’améliorer l’effet des agents, mais le rebond a été augmenté avec cette technique. Par ailleurs, des mélanges contenant des matériaux de postconsommation difficilement recyclables ont été évalués dans le but de minimiser les besoins en ressources naturelles. L’utilisation de granulats de plastique et de caoutchouc en remplacement de 20% du volume granulaire a diminué la résistance en compression du béton de 40% et 60%, respectivement, mais leur utilisation dans l’industrie est possible. L’élasticité et l’électricité statique des particules de caoutchouc a entraîné une diminution significative de la génération de poussière de projection. Le module d’élasticité faible et le caractère ductile du plastique et du caoutchouc donne au béton projeté un potentiel d’absorption d’énergie élevé qui pourrait être multiplié en présence de fibres. Finalement, le potentiel des mélanges développés a été évalué à l’aide d’une analyse économique et environnementale développée à partir de paramètres d’influence en béton projeté, des propriétés des mélanges et des coûts unitaires. Le mélange avec ASM s’est particulièrement démarqué avec une réduction des coûts conventionnels de 7% et une réduction des émissions de CO₂ de 26%. / Interest in sustainable development has increased in recent decades with the discovery of serious environmental challenges. On the other hand, recent research in the field of shotcrete has contributed to the transition to mixtures that better meet these new challenges. In this context, this research project aims to develop and study several mixtures of shotcrete with environmental value added in order to offer alternatives to conventional mixtures to the industry. First, high efficiency mixtures containing rheological agents were evaluated to reduce the losses associated with the rebound of shotcrete. Magnesium aluminosilicate (ASM) reduced the rebound by about 10%, but resulted in problems of strength and durability related to high W/B ratios. The superplasticizer increased the rebound by more than 20% because it was impossible to increase the concrete’s water content without affecting its stability. Diutan gum did not seem to be activated in the dry-mix shotcrete process. The mixtures were then tested with predampening to improve the effect of the agents, but the rebound was increased with this technique. In addition, mixtures containing post-consumer materials hardly recycled have been evaluated in order to minimize the need for natural resources. The use of 20% plastic and rubber aggregates in substitution of the aggregate volume resulted in a loss of the concrete’s compressive strength of 40% and 60%, respectively, but their use in industry is possible. The elasticity and static electricity of the rubber particles resulted in a significant decrease in dust emission. The low modulus of elasticity and the ductile properties of the plastic and the rubber give shotcrete a high energy absorption potential which could be multiplied in the presence of fibers. Finally, the potential of the mixtures was evaluated with an economic and environmental analysis based on shotcrete influence parameters, mixtures properties and unit costs. The performance of the mixture containing ASM was particularly good with a reduction in conventional costs of 7% and a reduction of CO₂ emissions of 26%.

Dans la région de Trois-Rivières, de nombreuses résidences ont été construites sur une fondation de béton incorporant des granulats riches en sulfures de fer, notamment de la pyrrhotite et de la pyrite. Plus de trois cents échantillons ont été prélevés au sein de seize fondations de maisons montrant différents degrés d’endommagement, de très faible à très élevé, afin de les analyser et de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes en cause. Plusieurs types d’essais pétrographiques, mécaniques et chimiques ont ainsi été effectués sur ces échantillons, tant sur le terrain qu’en laboratoire. Le suivi de l’expansion et du développement de la fissuration sur des blocs prélevés au sein de fondations résidentielles a permis de démontrer le potentiel résiduel d’endommagement du béton lorsque soumis aux conditions climatiques naturelles. De plus, les résultats des travaux effectués sur les blocs suggèrent que la méthode de l’indice de fissuration est un bon outil du suivi l’évolution de l’endommagement du béton. Finalement, les résultats des travaux effectués en laboratoire suggèrent que le Damage Rating Index et le Stiffness Damage Test ont la capacité de quantifier l’état d’endommagement des bétons détériorés fabriqués avec des granulats incorporant des sulfures de fer. / In the Trois-Rivières area, many houses were built on a concrete foundation made with aggregates containing large amounts of iron sulfides, such as pyrrhotite and pyrite. To allow for a better understanding of the oxidation mechanism, more than three hundred samples were extracted from sixteen foundations, showing different degrees of damage. A variety of petrographic, mechanical and chemical tests were conducted on these samples, in the laboratory as well as in the field. The monitoring of the development of expansion and cracking in the concrete blocks taken from residential foundations demonstrated a potential for residual concrete deterioration when exposed to natural environmental conditions. Furthermore, results of experiments performed on the blocks suggest that the cracking index method is a good indicator of the evolution of damage. Finally, laboratory testing suggests that the Damage Rating Index and the Stiffness Damage Test can potentially quantify damage suffered by deteriorated concrete made with aggregates incorporating iron sulfide minerals.

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.

Au cours des 20 dernières années, le béton projeté a fait l'objet de plusieurs recherches portant particulièrement sur la compostions des mélanges. En parallèle, tous s'entendent pour dire que la qualité du matériau en place dépend grandement de l'expérience du lancier et de sa technique de mise en place. Les connaissances et données scientifiques entourant le processus de mise en place et la compaction du béton projeté étant limitées, ce projet de recherche est dédié à l'étude des paramètres de projection. L'objectif de cette étude consiste à comprendre et quantifier l'influence des différents paramètres de projection sur les propriétés du béton projeté à l'état frais et durci. Afin de mieux saisir le phénomène de compaction, il est essentiel d'étudier et de quantifier la formation des vides de compaction présents dans le béton projeté; une méthode expérimentale simple a été mise au point pour évaluer cette grandeur. Un volet de cette étude est également consacré au comportement isotrope du béton projeté. Les nombreux résultats sont très intéressants et font ressortir non seulement d'importantes différences dans le processus de mise en place entre le béton projeté par voie sèche et le béton projeté par voie humide, mais aussi entre les mélanges contenants ou non de la fumée de silice. En effet, la présence de vides de compactage, l'absorption d'eau et les résistances en compression sont des propriétés qui sont toutes influencées par le procédé de projection et la présence de fumée de silice. De plus, pour tous les mélanges produits au laboratoire, la résistance en compression semble être une propriété isotropique.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s'intéressent à la texture de la surface coffrée des parements verticaux en béton. Ils ont été divisés en trois volets : l'uni, les vides de compaction et le huilage de surface. Pour étudier l'influence du coffrage et du démoulant sur l'uni, des pâtes de ciment ont été coulées sur des surfaces coffrantes en faisant varier le type de coffrage, le démoulant et la position du coffrage dans le moule. La surface et la tranche des surfaces obtenues ont été étudiées au MEB. Cette étude montre que la texture de la surface des pâtes dépend de celle de la surface coffrante utilisée. La couche de pâte de surface est généralement composée de C-S-H sous forme de grains enchevêtrés sauf pour les parements brillants où la couche de surface est composée de portlandite. Pour étudier l'influence des propriétés rhéologiques sur les vides de compaction, des parements en béton ont été réalisés, à partir d'un même squelette granulaire, en faisant varier le volume de pâte, le rapport E/C et les proportions d'adjuvant des mélanges. Cette étude montre qu'il existe un seuil de cisaillement limite au-delà duquel la quantité de vides de compaction de surface devient importante. La quantité de vides de surface dépend du seuil de cisaillement du mortier des mélanges et de la concentration en granulats. L'étude théorique du bullage des surfaces, montre que les bulles d'air sont toujours plus stables sur la paroi du coffrage, les bulles formées peuvent dans certaines conditions s'évacuer du mélange. La possibilité de mouvement des bulles d'air dépend du seuil de cisaillement des mortiers, de la technique de mise en place et de la rugosité des coffrages. Afin de vérifier expérimentalement les calculs théoriques réalisés, des mortiers de tension superficielle variable ont été coulés sur des surfaces coffrantes sélectionnés pour faire varier l'angle de contact entre le mortier, la bulle et le coffrage. Cette étude confirme que les paramètres déterminant pour le bullage sont le seuil de cisaillement des mortiers, la technique de mise en place et la rugosité des coffrages.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’influence de la température sur le comportement au jeune âge du béton. Pour évaluer les propriétés du béton au jeune âge, le Centre de recherche sur les infrastructures en béton de l’Université Laval a développé un appareil (R2D2) permettant de mesurer les déformations du béton. Cet appareil était utilisé seulement en conditions isothermes. Pour imposer des variations de température au béton, il a fallu revoir la conception de l’appareil et la valider expérimentalement. Une application informatique a d’abord été développée pour permettre l’imposition de variations de température à l’appareil R2D2. Ensuite, une vérification du comportement de l’appareil lors des variations de température a été nécessaire. Une étude sur la distribution de la température dans le béton ainsi que de la fonctionnalité des appareils de mesures a ainsi été réalisée. Les appareils de mesure n’étant pas initialement adaptés pour subir des variations de température, il a fallu apporter quelques modifications matérielles à l’appareil. Finalement, une méthode de calcul pour évaluer l’évolution du coefficient de dilatation thermique (CDT) du béton au jeune âge a été proposée et les résultats de cette évolution ont été analysés pour six différents mélanges. Les modifications apportées à l’appareil ont permis de développer une méthode de calcul du CDT qui permet d’éliminer les erreurs parasites causées par les variations thermiques. En effet, en imposant des cycles de température au béton, l’appareil R2D2 subissait également des variations thermiques qui influençaient les résultats. Les modifications de l’appareil ainsi que la procédure utilisée pour calculer le CDT du béton ont permis d’éliminer ces erreurs. L’étude effectuée sur les mélanges de béton a permis de démontrer que le type de ciment n’a pas une influence majeure sur le CDT du béton au jeune âge. Par contre, le rapport eau-ciment a plus d’influence sur le CDT du béton au jeune âge. De façon générale, plus le rapport eau-ciment est élevé, plus le CDT du béton au jeune âge est élevé. / This project research concerns the influence of temperature on the early-age behaviour of young age concrete. The Centre de recherche sur les infrastructures en béton has developped a device (R2D2) that measures the displacements in concrete. Until now, this device was only used to measure the displacements in concrete under isothermal conditions. In order to use the R2D2 device under thermal variations, the design on the apparatus had to be revised. First, a software had to be created in order to control the thermal variations of concrete. Secondly, the device’s behaviour under thermal variations was evaluated. A study on the distribution of the temperature in the concrete and on the functionality of the data acquisition system was also carried out. The data acquisition system was not properly adapted for thermal variations so some material modifications were necessary. Finally, a method to calculate the evolution of the thermal dilation coefficient (TDC) of early-age concrete and the results of that evolution for six different concretes were analysed. The modifications that were made on the apparatus allowed to develop a method to calculate the TDC so that the errors caused by the thermal variation of the apparatus were eliminated. During the thermal variations tests, the apparatus was also undergoing thermal variations which caused errors in the TDC calculation. Once the modifications were made, the errors were eliminated and a better evaluation of the early-age concrete TDC was obtained. The study made on the six different concretes has demonstrated that the type of cement does not have a major influence on the early-age concrete TDC. On the contrary, the water-cement ratio seems to have an influence on the early-age values of the TDC. In general, the higher the water-cement ratio is, the higher is the early-age concrete TDC.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Les structures composites bois-béton sont largement utilisées aujourd’hui grâce à l’optimisation des performances et du coût de la structure qu’elles permettent. Le comportement de ces structures dépend fortement de la connexion entre les deux matériaux. La conception de ce type d’ouvrage peut rapidement devenir complexe, car il existe une multitude de connecteurs qui ont tout un chacun des comportements qui peuvent être très différents des uns des autres. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique qui permet de calculer avec précision les fréquences naturelles d’une poutre composite est présenté et implémenté. De plus, un modèle qui permet de prédire le comportement statique d’un connecteur ponctuel et d’une poutre composite en tenant compte du comportement non linéaire de chacun des matériaux est présenté et implémenté. Ces modèles reproduisent très bien les essais expérimentaux. Avec les simulations effectuées, il a pu être conclu qu’un connecteur dimensionnable serait l’idéal pour achever une performance ductile d’une poutre composite bois-béton. L’idée de ce type de connecteur est donc explorée et testée en laboratoire. Garantir une performance ductile rend la structure plus sécuritaire et permet ainsi d’augmenter l’utilisation du bois dans le secteur non résidentiel de la construction. / The timber-concrete composite structures are widely used today because they allow the performance optimization and the structure cost. The behaviour of timber concrete composite (TCC) structures depends heavily on the connection between the two materials. The design of this type of structure can quickly become complex because there are a host of connectors whose behaviour may be very different from each other. In this master thesis, a numerical model that can accurately calculate the natural frequencies of a composite beam is introduced and implemented. In addition, a model that predicts the static behaviour of a discrete connector and of a composite beam by taking into account the non linear behaviour of each material is presented and implemented. These models reproduce very well the experimental tests.With simulations, it has been found that an engineered connector would be ideal to provide for a ductile performance of a TCC beam. The idea of this type of connector is explored and tested in a laboratory. Ensure ductile performance makes the structure more secure and thus can increase the use of wood in non-residential construction sector.

Les bâtiments actuels faits de pièces en béton préfabriqué utilisent généralement des assemblages qui n’offrent que peu ou pas de continuité à la structure. Il en résulte une sous utilisation importante des matériaux par rapport à une même structure se comportant de façon monolithique. Plusieurs études portant sur des assemblages rigides, soudés ou assemblés par post-tension, ont déjà été réalisées. Bien que structuralement viable, aucun de ces modèles ne s'est avéré capable de répondre pleinement aux besoins de l'industrie. Les tolérances de construction trop serrées et la complexité de réalisation ont souvent posé problème. Les travaux présentés ici portent donc sur le développement d'un assemblage rigide boulonné, utilisable à grande échelle, destiné à l'industrie du bâtiment multiétagé en béton préfabriqué. L'étude entreprise comporte deux phases, soit la conception du système structural et la détermination de la rigidité des assemblages. Les résultats obtenus sont utilisés afin de comparer le nouveau concept aux charpentes actuelles. La démarche d’analyse s’appuie sur le logiciel VisualDesign pour élaborer la structure du bâtiment, et sur le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS pour la caractérisation du comportement des assemblages. Les efforts de recherche ont été orientés de manière à établir la faisabilité du modèle, afin de permettre le développement futur de projets de recherche en partenariat avec l’industrie. / To this day, the connections of precast concrete buildings offer little or no continuity to the structure. Consequently, when compared to monolithic structures, the material is clearly not used to its full capacity. Studies on rigid connections, welded or assembled by post tension, have been carried out by a few investigators. Although structurally valid, none of the proposed connections proved able to meet the needs of the construction industry, due to stringent erection tolerances and complexity of assembly. The work presented here concerns the development of a bolted rigid connection system likely to be used on a large scale by the precast concrete construction industry. The study is separated in two parts. The first is concerned with the development and tuning of the new structural system while the second one deals with the determination of the rigidity of the proposed connection. The connection behaviour is then used to compare the amount of material used in the new system and the actual precast system. The software Visual Design was used to analyse the building structure, and the finite element software ANSYS to determine the characteristic behaviour of the new connection. The intent of the research is to establish the feasibility of the proposed model, so that future research and development efforts can be carried out in partnership with the precast industry.

Le but de ce projet est de comprendre l’effet des cycles de gel/dégel sur le comportement en mécanique des poutres en béton armé de PRFB ainsi que le développement des capacités structurales des PRFB dans un renforcement interne. Afin de réaliser cette étude, vingt poutres en béton armé de PRFB ont été préparées et exposées à deux environnements différents le premier à une température ambiante et le deuxième à 260 cycles de gel/dégel de (-250C, à +150C). Le projet inclut aussi deux autres paramètres, le premier est le taux de renforcement qui est caractérisé par deux groupes (groupe 1) inclut des poutres sur armées et le (groupe 2) inclut des poutres sous-armées, le deuxième paramètre est le rapport entre la portée du cisaillement (a) et la profondeur de la poutre (d), (a/d). Les poutres ont été testées en flexion de quatre points. Les conclusions obtenues varient en fonction des paramètres étudiés. / The objective of this project is to study the effect of freeze-and-thaw cycles on the mechanical performance of concrete beams reinforced with basalt fibre-reinforced polymers (BFRP) bars that are recently developed. Twenty concrete beams reinforced with BFRP bars were cast and exposed to two different environments: (a) room temperature and (b) 260 cycles of freeze-and-thaw at temperature varying between 25oC and +15oC. The project investigated two other parameters namely (a) the internal reinforcement ratio (under and over reinforced beams) and the shear span-to-depth ratio (a / d). All beams were tested in four point bending. The experimental results were compared to the predictions of the Canadian code. The effect of each parameter on the behaviour of the beams is presented and discussed.