Based on previous testing and analysis, it is believed that North American concrete design codes yield conservative shear designs for precast/prestressed hollow-core slabs in the 203 to 305 mm depth range. The objective of this research program is to calibrate the Canadian code shear equations to precast/prestressed hollow-core slabs, through testing a series of full-scale slabs to failure in shear. A total of twelve hollow-core slabs from one slab producer, using two types of extruders were tested in shear. Test variables include the bearing length and the prestressing level. Results are presented in terms of experimental to predicted capacity using the Canadian and American concrete design codes, the failure mode, crack profiles, and the critical section location for shear. It was concluded that the Canadian code shear equations are inappropriate for use with hollow-core slabs with low prestressing levels in the 203 to 305 mm depth range.

Based on previous testing and analysis, it is believed that North American concrete design codes yield conservative shear designs for precast/prestressed hollow-core slabs in the 203 to 305 mm depth range. The objective of this research program is to calibrate the Canadian code shear equations to precast/prestressed hollow-core slabs, through testing a series of full-scale slabs to failure in shear. A total of twelve hollow-core slabs from one slab producer, using two types of extruders were tested in shear. Test variables include the bearing length and the prestressing level. Results are presented in terms of experimental to predicted capacity using the Canadian and American concrete design codes, the failure mode, crack profiles, and the critical section location for shear. It was concluded that the Canadian code shear equations are inappropriate for use with hollow-core slabs with low prestressing levels in the 203 to 305 mm depth range.

De nos jours, le bloc est le produit le plus vendu en préfabrication, avec un chiffre d’affaires de 418 millions d’euros en 2015 (chiffres issus de la Fédération de l’Industrie du Béton). Toutefois, ce résultat atteste d’une baisse de production constatée depuis 2012.Dans ce contexte économique difficile, les industriels cherchent à optimiser la formulation de leurs produits. Les particularités de ceux-ci (consistance sèche et teneur en air moyenne comprise entre 7 et 15 %) rendent impossible l’utilisation des outils existants.L’objectif de la thèse est alors de mettre au point une méthode de formulation adaptée aux blocs, permettant d’optimiser le rapport coûts/performances. Cela implique de diminuer le dosage en ciment, matériau le plus couteux du béton et également le plus négatif en termes d’émissions de CO2. Pour cela un squelette granulaire optimal doit être utilisé.La méthodologie de formulation mise au point se déroule ainsi en deux étapes. La première consiste à sélectionner le mélange granulaire présentant l’arrangement maximal. La deuxième détermine les volumes des autres constituants (ciment, eau efficace, air et addition) en fonction des exigences de consistance et de performances mécaniques. Les travaux ont permis d’obtenir un modèle d’empilement compressible adapté à la mise en place des mélanges granulaires secs à l’aide d’une presse vibrante et d’un moule de bloc. Celui-ci calcule la compacité des mélanges granulaires dans de telles conditions et permet de sélectionner le mélange optimal. Les travaux ont également permis de relier les propriétés aux états frais et durcis à la formulation des bétons secs. La résolution du système d’équations obtenu permet de déterminer la formulation qui optimise le rapport coûts/performances.Un outil numérique regroupant ces résultats est développé. Il nécessite de renseigner un ensemble de données (squelettes granulaires, masses volumiques réelles, coûts, etc.), ainsi que les exigences de consistance et de performances mécaniques. Il propose alors la formulation optimisant le rapport coûts/performances. Celle-ci peut ensuite être testée à échelle réduite sur des cubes car les résultats ont permis de relier les performances mécaniques des cubes et des blocs. / Construction’s sector is knowing an important mutation and is confronted with unpresented stakes with major importance for next decades: population growth and needs in accommodation and infrastructures, climate change, uses of durable and natural resources, societal expectations from consumers as well as territorial’s stakeholders. Concrete precast industry is strongly enlisted to answer at these news needs, for the constructive systems proposed as well as for the production processes of concrete’s products. The stake is especially important for concrete masonry units with a production in France in 2017 of 6.7 million tons. These products are realized using press which compact concrete with vibration and pression. Blocs are made of dry cast concrete with average air content between 7 and 15%. Today, formulation methodologies are adapted to delayed demoulding products and so not made for bloc concrete.This thesis aims to develop a formulation methodology adapted to blocs and to their process, in order to optimize their performances in economic conditions. This implies disposing of robust tools able to determine optimal proportions for each constituent, considering process specifications. Especially, it is necessary to use an optimized aggregates mix.The formulation methodology developed runs through two steps. The first one consists in choosing the aggregates mix with maximal packing density. The second one determines other constituents volumes (cement, efficient water, air and addition) according to consistency and mechanical performances requirements. The compressive packing model (F.de Larrard) is adapted to dry aggregates mix casting with vibrating press in a bloc mold. Results also make it possible to connect fresh and hardened properties to the formulation of dry cast concretes. Solving the system of equations gives the formulation optimizing the ratio costs/performances.

Résumé : Depuis le début du XXe siècle, la production de bétons secs représente une industrie importante pour le développement des infrastructures en bétons compactés au rouleau notamment pour la construction de barrages, de digues, de pavages, et les bétons moulés à sec pour la pré-fabrication de blocs de maçonnerie, de briques, de pierres de pavé, etc. La durabilité de celles-ci peut être améliorée en réduisant leur consommation de ciment Portland et de granulats naturels en utilisant, respectivement, des ajouts cimentaires et des matériaux granulaires alternatifs. D’ailleurs, beaucoup de sous-produits industriels et autres ajouts cimentaires alternatifs ne respectant pas les exigences pour le béton conventionnel ont été utilisés avec succès dans ce type de béton. Les cendres de biomasse sont des sous-produits prometteurs pour les applications de bétons secs. Ces cendres sont obtenues dans une centrale de cogénération de l’industrie des pâtes et papiers suite à la combustion de leurs boues de traitement des eaux usées, de leurs boues de désencrage, et autres résidus de bois. Les cendres volantes de biomasse (CVB) ont une finesse similaire à celle du ciment et elles possèdent aussi un potentiel de réactivité pouzzolanique. Elles peuvent donc remplacer une partie du ciment utilisé dans la formulation de bétons. Les cendres grossières de biomasse (CGB) ont une granulométrie voisine de celle d’un sable fin. Elles peuvent donc être valorisées en remplaçant une partie des granulats naturels utilisés dans les formulations de bétons. Bien que les propriétés physico-chimiques et les interactions cimentaires de celles-ci soient étudiées depuis le début des années 2000, très peu d’applications commerciales ou industrielles ont été développées. Ce projet de recherche vise l’étude et l'optimisation des CVB comme ajout cimentaire alternatif et des CGB comme granulats fins alternatifs dans la production de bétons compactés au rouleau (BCR) et à la paveuse (BCP) pour des applications de pavages industriels et dans la production de bétons moulés à sec (BMS) pour des applications de préfabrication de pierres de pavé. Pour chacune de ces applications, des formulations incorporant un taux de substitution jusqu'à 30% du ciment par des cendres volantes et jusqu’à 100% du sable par des cendres grossières ont été réalisées. Ces travaux d’optimisation ont été effectués avec des bétons à rap-port eau-liant de 0,32, 0,35 et 0,37. Les propriétés à l’état frais (maniabilité et consistance), à l’état durci (résistance à la compression, à la flexion et à la traction), et de durabilités (absorption à l’eau, vides perméables et résistivité électrique) jusqu'à 91 jours ont été mesurées pour tous les mélanges de béton. Le rapport eau-liant, la teneur en pâte et les taux de remplacement optimaux ont également été combinés et optimisés afin de valoriser un maximum de cendres de biomasse, volantes et grossières, dans une seule formulation. Les résultats des mélanges de BCR fabriqués en laboratoire avec 10% et 20% de CVB et combinés à 50% de CGB ont respectivement montré des maniabilités désirées et des résistances à la flexion supérieures aux limites prescrites par les devis techniques pour une utilisation pratique de 23% et 29%. Ces deux mélanges donc ont été sélectionnés pour évaluer leur comportement in situ à l’aide de la construction d'une dalle de stockage de 792 m² par 300 mm d'épaisseur à l'aide de pratiques courantes. Des carottes ont été prélevées dans la dalle à 28 et 308 jours. La résistance à la compression des noyaux à l'âge de 308 jours a atteint 33 et 30 MPa pour les deux mélanges testés, respectivement. Les BMS fabriqués avec 5%, 10%, ou 15% CVB et 25% de CGB peuvent atteindre un indice de compaction de 99% avec un travail de compaction inférieur à celui spécifié par les fabricants de pierre de pavés. L'utilisation des CVB et CGB entraîne une faible diminution de la résistance à la compression, mais présente des valeurs de perméabilité et d’absorption à l’eau très faibles et inférieures aux exigences requises les normes (près de 5%). Ces travaux de recherche présentent un débouché potentiel à la valorisation des cendres volantes et grossières de biomasse issues de l’industrie des pâtes et papiers dans les bétons secs comme ajout cimentaires ou granulats fins. Cette approche peut offrir une contribution significative pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre associés à la production de ce type de béton et dans les gestions des matières résiduelles de l’industrie des pâtes et papiers. / Abstract : Since the early twentieth century, the production of dry concrete is an important industry for infrastructure development including the construction of dams, core dikes, and pavements using roller-compacted concrete, and precast masonry blocks, bricks, pavers using dry-cast concrete. The sustainability thereof can be improved by reducing its consumption of Portland cement and natural aggregates using cementitious supplementary cementitious materials and alternative granular materials, respectively. Moreover, many industrial by-products and other mineral additions not meeting the requirements for conventional concrete have been success-fully used in such concrete. The biomass ashes are promising supplementary materials for dry concrete applications. These ashes are produced in a cogeneration plant of the pulp and paper industry following the burn-ing of their wastewater treatment sludge, their de-inking sludge, and other wood residues. The biomass fly ash (BFA) have a similar finesse in the cement and they also have a potential poz-zolanic reactivity. They may therefore replace part of the cement used in concrete formula-tions. The biomass bottom ashes (BBA) have a particle size close to that of a fine sand. They can be use to replace a portion of the natural aggregates. Although the physicochemical proper-ties and interactions with cement have been studied since the early 2000s, very few commer-cial or industrial applications have been developed. This research project aims at studying and optimizing the BFA content as an alternative sup-plementary cementitious materials and the BBA content as an alternative fine aggregates in the production of roller-(RCC) and paver-compacted concrete (PCC) for industrial pavements and dry-cast concrete (DCC) for the manufacture of pavers. Formulations incorporating substitu-tion rates of cement up to 30% by BFA and of the sand up to 100% by BBA were evaluated for each of the mentioned applications. This optimization work was carried out with concrete water-to-binder ratio (w/b) of 0.32, 0.35 and 0.37. The fresh properties (workability and com-pactness), hardened properties (compressive strength, flexural strength and splitting-tensile strength) and transport properties (water absorption, permeable voids and electrical resistivity) up to 91 days were measured for all concrete mixtures. The optimal w/b, paste content and replacement rates were also combined and optimized in order to maximize the biomass fly and bottom ashes content, in a single formulation. The results of concrete mixtures made with 10% and 20% BFA with 50% BBA showed 23% and 29% higher flexural strength than the limits required for practical use of RCC, respective-ly. These two RCC mixtures were selected for the assessment of in situ behaviors through the construction of a storage slab of 792 m² per 300 mm thick using standard practices. Core sam-ples were cut from the slabs at age of 28 and 308 days for follow-up of the concrete behavior with time. The compressive strength of the cores at an age of 308 days reached 33 and 30 MPa for the two tested mixtures, respectively. The DCC mixtures made with 5%, 10%, or 15% BFA and 25% of BBA can reach a compact-ness index of 99% with a compaction work lower than specified by the Standards. The use of the BFA and BBA lead to small decrease of the compressive strength, however they can result in very low permeability and water absorption values lower than required by the specifications (close to 5%). This research presents a potential market for recycling biomass fly and bottom ashes from the pulp and paper industry in dry concrete as alternative supplementary cementitious materials or fine aggregates. This approach can provide a significant contribution to reduce greenhouse gas emissions associated with the production of this type of concrete and with the managements of by-products from the pulp and paper industry.