Depuis plusieurs années, la perte causée par le rebond en béton projeté fait l'objet de préoccupations environnementales. L'optimisation continue de l'équipement et de la mise en place permet de rendre la technique de projection plus efficiente. Le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval enchaine ainsi les projets de recherche afin d'avoir une meilleure compréhension et un contrôle accru du phénomène. Les connaissances acquises dirigent cette recherche vers une caractérisation plus complète de la projection par voie sèche et de son substrat récepteur à l'état frais. Un montage à échelle réduite incluant les avancées récentes de l'équipement a été développé afin d'offrir des avantages technologiques et environnementaux non négligeables. Cette implantation permet de s'affranchir de certains problèmes associés à la méthode traditionnelle à l'échelle 1 :1 et d'évaluer plusieurs mélanges à dosages d'adjuvants variés, et ce, rapidement et sans la production et l'utilisation excessive de matériau. Le béton mis en place de façon gravitaire est généralement caractérisé à l'état frais à l'aide de paramètres rhéologiques. Cependant, les appareils traditionnels de mesures, tel que les rhéomètres, ne peuvent être utilisés en béton projeté par voie sèche à cause la consistance du matériau mis en place. Une méthodologie a alors été proposée afin de pouvoir étudier et de vérifier l'applicabilité des paramètres rhéologiques. La complexité des phénomènes présents lors de la mise en place du béton projeté par voie sèche a cependant montré la difficulté de capturer les effets visés. Cela a permis d'introduire le concept d'historique rhéologique. Le concept d'historique rhéologique présenté permet d'unir plusieurs paramètres théoriques et diverses constatations expérimentales ainsi que de proposer une approche différente de la description du matériau à l'état frais et de sa mise en place. Il identifie deux zones distinctes sur la surface réceptrice par une fréquence énergétique critique. Ces zones sont définies selon l'état du substrat : fluide ou élastoplastique. Ces deux états sont incontournables et se comportent différemment, ce qui nécessite de les caractériser séparément. L'évaluation des propriétés de la couche élastoplastique a ensuite été abordée avec une caractérisation énergétique du matériau. Le concept d'historique rhéologique mène à une évaluation et compréhension plus détaillée du matériau de même qu'à l'optimisation de sa composition et de sa mise en place, qui se matérialisera vraisemblablement à travers une démarche la perspective de modélisation et de prédiction du rebond. / For several years, the loss of material caused by rebound in shotcrete has been the subject of environmental concerns. Continuous optimization of equipment and placement makes the spaying technique more efficient. Université Laval's shotcrete laboratory has been carrying out a number of research projects in order to gain a better understanding and better control over the phenomenon. The knowledge acquired is orienting this research towards a more complete characterization of dry-mix shotcrete and its fresh substrate. A small-scale assembly, including recent technological advances on equipment, has been developed to provide significant technological and environmental benefits. Therefore, this implantation makes it possible to overcome certain problems of the traditional method and evaluate several mix-design with multiple dosages of admixtures quickly and without production and excessive use of material. Cast-in-place concrete is generally characterized in its fresh state using rheological parameters. However, traditional testing devices, such as rheometers, cannot be used with dry-mix shotcrete because of the consistency of the material spayed. Thus, a methodology was proposed in order to study and verify the applicability of rheological parameters. The complexity of the phenomenon present during placement of dry shotcrete, however, has proven this methodology inadequate to successfully capture the sought effects. This permitted to introduce the rheological history concept. The rheological history concept unites several theoretical parameters and experimental observations and offers a different approach for the description of the fresh state material and its placement. It identifies two areas separated by a critical energetic frequency. These areas are defined according to the condition of the substrate: fluid or elastoplastic. These two states are unavoidable and behave differently, which requires characterizing them separately. The evaluation of the elastoplastic layer's properties was approached with an energetic characterization of the material. The rheological history concept leads to a more detailed evaluation and understanding of the material, and the optimization of its composition and placement while bringing closer the perspective of rebound modeling and prediction.

L’objet de ce projet est l’étude de la rhéologie des bétons frais à base de ciment d’aluminate de calcium, soit: le LBC et le Ciment Fondu. L’utilisation de ce type de liant hydraulique présente un intérêt substantiel dans le domaine des bétons, tant pour les ouvrages structuraux que pour les réparations en béton. La motivation derrière cette recherche est de mieux comprendre le comportement rhéologique de ce type de béton et ainsi faciliter et élargir leur utilisation dans le domaine du génie civil. Le projet de recherche s’attarde sur différents paramètres spécifiques tels que l’influence du type d’adjuvant, de leurs dosages et de leurs combinaisons, ainsi que l’effet du type de malaxage employé et de sa durée. Pour répondre aux objectifs, la recherche est divisée en deux phases. Une première phase, où les adjuvants sont évalués individuellement, a permis de lancer la seconde, plus complexe, où des conditions de malaxage réalistes, camion toupie et bétonnière mobile, et une combinaison d'adjuvants complète sont mises à l’épreuve. Des résultats forts intéressants ont été obtenus dans cette deuxième phase. L’utilisation d’un superplastifiant en combinaison avec un accélérateur de prise simule l’usage d’une bétonnière mobile. Il est possible d'obtenir, de cette combinaison, de compenser le retard de prise occasionné par le superplastifiant en dosant convenablement l’accélérateur de prise, tout en conservant des propriétés rhéologiques adéquates pour une bonne mise en place. En plus, l’utilisation d’un superplastifiant en combinaison à un retardateur de prise, simulant les conditions de transport dans une bétonnière conventionnelle, a permis de retarder et contrôler le début de la prise. Au point de vue de l’évolution rhéologique, cette combinaison est très efficace lors d’un transport prolongé. Il est possible de retarder la prise en conservant des propriétés rhéologiques adéquates. Pour finir, l’utilisation d’un activateur de prise dans un mélange ayant subi un malaxage prolongé, adjuvanté de superplastifiant et de retardateur de prise, s’est révélée très efficace pour obtenir une durée pratique d’utilisation visée en chantier. / The purpose of this project is to study the rheology of fresh concrete made from calcium aluminates cement, namely: the LBC and Ciment Fondu. Using this type of hydraulic binder has a substantial interest in the field of concrete, both for structural works and concrete repair. The motivation behind this research is to better understand the rheological behaviour of this type of concrete and thus facilitate and expand their use in the field of civil engineering. The research project focuses on specific parameters such as the influence of type of admixture, their dosages and combinations as well, type of the mixing and it duration. In order to meet the objectives, the research is divided in two phases. A first phase, where the admixtures are individually evaluated, was necessary to launch the second and more complex phase, where realistic mixing conditions have been used. Very interesting results were obtained in this second phase. First, superplasticizers in combination with set accelerators were used to simulate a mobile concrete mixer. It is possible with this combination to compensate the set delay caused by the superplasticizer by using an appropriate dosage of set accelerator, while maintaining adequate rheological properties. Secondly, the use of a superplasticizer with a set retarder, simulating the transportation in a ready-mix truck showed promising results in delaying and controlling the setting time. In terms of rheological evolution, this combination is very effective during a prolonged transport; It is possible to delay the setting time while maintaining adequate rheological properties. The use of an activator added to a mixture which has undergone prolonged mixing and including superplasticizer and set retarder was found very effective in obtaining a practical opentime, or “pot life” for a construction site.

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.

Le béton projeté par voie humide est une méthode de mise en place très populaire dans la construction de tunnels et le soutènement de parois dans les mines. L'utilisation d’un adjuvant accélérateur de prise offre des avantages significatifs en gain de productivité et pour la sécurité des travailleurs pendant la réalisation du travail. Cependant, l’effet de ces adjuvants, et particulièrement leur dosage, sur la durée de vie du béton projeté est mal compris et souvent négligé. Le dosage de l’adjuvant en chantier est souvent élevé, ce qui a pour conséquence de faire augmenter les coûts de production et réduire la qualité du béton. Cette recherche a pour objectif d’étudier l'influence de l'utilisation des accélérateurs de prise sur la durabilité du béton comme matériau, en considérant les particularités du béton projeté et en profitant des avancées faites en matière de prédiction de la durée de vie des bétons conventionnels. L’effet d’un adjuvant accélérateur de prise (à différents dosages) à base de sulfate d’aluminium (A/$) sera étudié. Les résultats permettront d’améliorer la qualité des applications de béton projeté dans l'industrie de la construction et les devis qui, chaque jour, sont plus exigeants et requièrent des performances de plus en plus élevées. Les données générées à partir des différents essais réalisés sont très intéressantes, car elles démontrent la complexité d’une telle étude à cause des changements non proportionnels des caractéristiques du béton avec différents dosages d’accélérateur de prise. De plus, les données générées illustrent bien l'influence de l’adjuvant accélérateur de prise sur la qualité du béton. / Wet-mix shotcrete is a widely used placement method in tunnelling and ground support. The use of a set accelerating admixture provides significant advantages in terms of productivity gains and worker safety during work progress. However, knowledge about adverse effects linked the use of set accelerator admixture (and particularly its dosage) is very limited. Indeed, dosage control is sometimes overlooked on the job site or the accelerator may be misguidedly overdosed, with the consequence of increasing costs and reducing the quality of the in-place shotcrete. The goal of this research is to study and better understand the effects of the use of set accelarating admixture on the durability of concrete as a material, starting with the particularities of shotcrete and taking advantage of the latest tools in modelling service life of conventional concretes. An alkali-free set accelerating admixture (at different dosages) based on aluminium-sulphate salts (A/$) will be investigated. The results will help improve the quality of shotcrete applications in the construction industry, and specifications which are increasingly demanding and require everimproving performances. The data generated from the several tests performed is very interesting, because it shows the intricacies of such an investigation due to the non-linear changes of concrete using different set accelerator dosages. It also demonstrates clearly the effects of using high dosages of set accelerating admixtures on the quality of shotcrete.

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.

Les bétons contenant des ajouts cimentaires subissent généralement d'importantes dégra-dations par écaillage lors des essais en laboratoire alors que le comportement de ces bé-tons en service est souvent satisfaisant. L'écaillage est influencé par une multitude de paramètres et les mécanismes responsables de ce type de dégradation demeurent mal compris. Les conditions de mise en place et de mûrissement généralement adoptées en laboratoire pourraient être responsables de la formation d'une couche superficielle de faible durabilité qui écaillerait à un taux plus rapide et qui serait plus profonde pour les bétons contenant des ajouts cimentaires. Ce projet de recherche propose une étude de l'influence de méthodes de mûrissement utilisées en chantier sur le comportement à l'écaillage évalué en laboratoire. L'effet d'une membrane drainante à la base du moule et l'effet d'un mûrissement avec une toile de jute humide ou un agent de cure chimique a été étudié sur des mélanges binaires et ternaires contenant des cendres volantes, du laitier de haut-fourneau et de la fumée de silice en différentes proportions. Les résultats montrent que la méthode de mûrissement peut avoir un effet significatif sur le comportement à l'écaillage et que cette influence dépend très fortement de la composition du mélange. L'étude de la variabilité des résultats montre que la faible reproductibilité et la faible ré-pétabilité de l'essai d'écaillage n'est pas amplifiée par la présence d'ajouts cimentaires. Les résultats soulignent l'importance de tenir compte du comportement d'un ensemble d'éprouvettes pour déterminer la résistance à l'écaillage d'un béton en laboratoire. Des essais de sorptivité et de séchage ont été réalisés sur des surfaces identiques à celles soumises à l'essai d'écaillage dans le but de caractériser la couche de surface sujette à l'écaillage. Bien que les résultats de sorptivité obtenus lors de cette étude ne permettent pas de caractériser la couche superficielle, il semble exister un lien entre la sorptivité et l'écaillage. Il ne semble pas y avoir de relation entre l'essai de séchage et l'écaillage bien que cet essai ait permis de distinguer la couche superficielle des différents bétons. Ces observations portent à croire qu'une couche superficielle plus poreuse ne serait pas entiè-rement responsable de l'écaillage des bétons contenant des ajouts cimentaires.

La compréhension des propriétés mécaniques de la microstructure des bétons verts est l'un des principaux intérêts de recherche dans l'industrie du ciment et du béton. Ce rapport traite de l'étude de pâtes de ciment ordinaire et d'une pâte de ciment avec ajout de laitier en couplant un à un les réponses chimiques et mécaniques mesurées à l'échelle nanoscopique. Les techniques expérimentales utilisées sont la technique de la nanoindentation ainsi que l'analyse chimique quantitative par microscopie électronique à balayage couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS). L'analyse mécanique comprend la mesure d'un coe_cient de relaxation basé sur un approfondissement de la théorie existante de la technique de la nanoindentation. Les résultats comportent une étude déterministe basée sur la chimie, une méthode permettant de déterminer la nature d'une surface indentée à partir des rapports des éléments atomiques mesurés à l'aide du MEB-EDS à cet endroit, et permettant de la lier directement la réponse mecanique mesurée à l'aide de la technique de la nanoindentation. Une étude statistique basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance est aussi réalis ée pour déterminer les réponses mécaniques et chimiques des di_érentes phases présentes. On trouve que la majorité des microvolumes d'interaction des expérimentations mécaniques et chimiques est composée de plusieurs phases. Il a également été possible de déterminer les réponses mécaniques du monosulfoalumite et de l'hydrotalcite combiné à du C_S_H, des produits d'hydratation importants de la pâte de ciment avec ajout de laitier. / One of the main interests of the cement and concrete industries is to better understand the mechanical properties of green concrete systems. This report provides a nano-investigation approach with a one-to-one coupling of the mechanical and chemical responses of ordinary cement pastes and a cement paste with an addition of blast furnace slag. This is achieved by using the technique of nanoindentation and a quantitative investigation of the chemistry by using the scanning electron microscopy coupled with the energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The mechanical analysis includes the measurement of a relaxation coe_cient, an extension of the already known theory of the nanoindentation technique. The results are implemented with a deterministic analysis of the chemistry, a method allowing the determination of the nature of an indented area from the atomic ratios measured by using the SEM-EDS on this spot, and which can be directly linked to the mechanical responses measured by the nanoindentation tests. A statistical analysis based on the maximum likelihood estimation is also performed in order to identify the mechanical responses of the di_erent chemical phases present. It is found that the most of the microvolumes probed by the mechanical and chemical investigation are heterogeneous composites with intermixing. We could also determine the mechanical properties of monosulfoalumite and hydrotalcite combined with C_S_H, important hydration products of cements with slag additions.