De nos jours, les industriels utilisent de faibles rapports eau/ciment (compris entre 0,3 et 0,4) et des ciments fins en vue d'augmenter les résistances à court terme. Afin que ces matériaux soient suffisamment maniables pour leur mise en place, divers adjuvants chimiques sont utilisés. Bien que ces bétons soient généralement plus durables lorsqu'ils sont exposés aux intempéries, certaines études semblent indiquer qu'ils sont également plus susceptibles de se fissurer lors des premiers jours de l'hydratation. L'étude de cette maîtrise porte sur l'effet de la température (20ʻC, 30ʻC et 38ʻC), du rapport E/C (0,3 et 0,4) et de la minéralogie du ciment (teneurs en C3A de 3%, 9% et 11%) sur le développement de la microstructure des mortiers de ciment avec superplastifiant au jeune âge. Des mesures de temps de prise, de suivi d'hydratation et des retraits chimiques et externes ont permis de suivre l'évolution de la microstructure, du moment où l'eau et le ciment entrent en contact, jusqu'à 7 jours. L'analyse de ces essais a alors permis de montrer qu'une structuration ± douce ¿ endommage moins le matériaux. Après avoir présenté la mise en contexte et la problématique, une revue de la documentation scientifique est proposée. Cette partie permet de comprendre comment le matériau se met en place et quels sont les outils existants afin de pouvoir suivre le développement de sa microstructuration. Une section est ensuite réservée au détail de l'expérimentation mise en place durant la maîtrise, des différents types d'essais utilisés ainsi que des correctifs apportés pour l'étude de nos matériaux. Enfin, une analyse des résultats est présentée. Les résultats de chacun des essais sont étudiés indépendamment les uns des autres mais une dernière section est réservée à la mise en relation des différents résultats obtenus.

En Amérique du nord, la majorité des structures en béton, approchant leur fin de vie, présentent des conditions sévères de détérioration. Les effets combinés de cycles de gel-dégel et la présence de sel de déglaçage sont les raisons principales de dégradation des structures. De plus, la présence de fissures accélère considérablement la dégradation en offrant un chemin préférentiel à la pénétration des agents agressifs. Grâce à leur grande résistance en compression et leur comportement ductile en traction, leur faible perméabilité et grande résistance à la pénétration des ions chlorure, l'utilisation des bétons fibrés à ultra-haute performance (BFUP) est une solution de choix pour augmenter la durée de vie des structures. Plusieurs études évaluent la durabilité du BFUP en utilisant les mêmes méthodes que pour le béton ordinaire, soit avec des échantillons de BFUP sain et les résultats de ces études confirment la durabilité exceptionnel du matériau. Cependant, en état de service, le BFUP comme le béton ordinaire présente des fissures soit en raison du retrait ou de la charge appliquée à la structure. Il est bien connu que, pour le béton ordinaire, la durabilité du matériau diminue grandement une fois fissurée au-delà d'un seuil critique. Le BFUP ayant un comportement plus ductile, il est possible de s'attendre à une meilleure durabilité que le béton ordinaire pour une même déformation. Cependant, peu d'études permettent de faire un lien direct entre la durabilité du matériau et l'ouverture des fissures du matériaux lorsqu'il est mis sous charge. Ce projet de maîtrise se divise en deux parties. La première est de faire la caractérisation de la durabilité de différents mélanges de BFUP, disponibles au Québec. La seconde partie consiste à caractériser la résistance à la pénétration des ions chlorure pour des poutres de BFUP soumises à une charge de flexion. Ces poutres présentent des micro-fissures du même ordre de grandeur qu'à l'état de service. Pour la caractérisation de la durabilité de différents mélanges, des informations sur la porosité des matériaux, la résistance à l'écaillage et la perméabilité aux ions chlorure sont obtenus. La perméabilité est évaluée selon un essai de migration accéléré et selon une procédure modifiée de cet essai accéléré, développée et adaptée pour les BFUP lors de précédents travaux. Les résultats confirment l'excellente durabilité des BFUP. La procédure modifiée de l'essai de migration accélérée reste difficile à mener pour des matériaux comportant des fibres métalliques et es améliorations sont suggérées. Pour l'évaluation de la perméabilité aux ions chlorure des poutres de BFUP maintenues sous charge, un montage et une méthode d'essai ont été développés et validés. L'analyse par corrélation d'images numériques est utilisée pour l'observation et la mesures des ouvertures des fissures. La perméabilité aux ions chlorures des poutres maintenues sous charge est évaluée par un essai de migration accélérée. Les coefficients de diffusion des ions chlorures obtenus pour les poutres fissurées sont inférieures à celui de la poutre de référence non chargée. Ce résultat inattendu est également observé avec les profils de chlorure. L'application d'un courant électrique pour l'accélération de l'essai de migration et la présence de micro-fissure pourrait être en cause. Une recherche plus exhaustive à ce sujet doit être menée pour comprendre ce phénomène. / In North America, most of concrete structures, as they approach their lifetime design, present severe deterioration conditions. The combined effects of freeze-thaw cycles and the presence of de-icing salt are the main reasons for structural degradation. In addition, the presence of cracks considerably accelerates degradation by providing a preferential path for aggressive agents to penetrate. Thanks to their high compressive strength and ductile tensile behaviour, low permeability and high resistance to chloride ion penetration, the use of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) is a preferred solution to increase the service life of structures. Several studies evaluate the durability of UHPFRC using the same methods as for ordinary concrete, i.e. with samples of sound UHPFRC and the results of these studies confirm the exceptional durability of the material. However, in service state, UHPFRC, like ordinary concrete, exhibits cracks either due to shrinkage or load applied to the structure. It is well known that, for ordinary concrete, the durability of the material greatly decreases when cracked above a critical threshold. Since UHPFRC has a more ductile behaviour, it is possible to expect a better durability than ordinary concrete for the same deformation. However, few studies have made a direct link between the durability of the material and the opening of material cracks when loaded. This master's project is divided in two parts. The first part to characterize the durability of different UHPFRC available in Quebec. The second part consists of characterizing the resistance to chloride ion penetration for UHPFRC loaded beams. These beams have microcracks of the same order of magnitude as in service condition. For the characterization of the durability of different UHPFRC, information on material porosity, scalling resistance and chloride ion permeability is obtained. Permeability is assessed according to an accelerated migration test and a modified procedure of this accelerated test, developed and adapted for UHPFRC in previous work. The results confirm the excellent durability of UHPFRC. The modified accelerated migration test procedure remains difficult to carry out for materials containing metallic fibers and possible improvements are suggested. For the evaluation of the chloride ion permeability of UHPFRC beams maintained under load, a test set-up and a method are developed and validated. Digital Image Correlation analysis is used for observing and measuring crack openings. The chloride ion permeability of beams held under load is evaluated by an accelerated migration test. This unexpected result is also observed with chloride profiles. The application of an electrical current to accelerate the migration test and the presence of micro-cracking may be the issue. A more comprehensive research is needed to understand this phenomenon.

Le retrait de séchage du béton est une des problématiques importantes dans le domaine des réparations de béton, puisque souvent à l’origine d’une diminution de la durabilité de l’intervention. Un béton à retrait compensé (BRC) est sujet aux mêmes processus de retrait de séchage que les bétons de ciment Portland. La différence se fait lors de la période de mûrissement. Lors des premiers jours de l’hydratation d’un BRC, un agent expansif incorporé au ciment cause l’expansion de la pâte avec une amplitude permettant de compenser le retrait de dessiccation du béton. Ce projet de maitrise présente l’étude de la robustesse de plusieurs formulations de BRC, dans le but d’isoler certains paramètres qui influencent le comportement des BRC. Deux types d’agent expansif ont été étudiés, l’un à base de sulfoaluminate de calcium (type K), l’autre à base d’oxyde de calcium (type G). L’analyse de la robustesse se divise en deux parties : la première concerne l’influence des variations de formulations (rapport E/L, types et dosages d’agent expansif, sources du ciment portland utilisées avec l’agent expansif), la deuxième est vouée à l’influence des conditions d’exposition, à savoir la température de cure (5 °C, 23 °C et 38 °C) et la disponibilité en eau lors du mûrissement (soumis à 50 % d’humidité relative, et immergé dans l’eau saturée de chaux). Ensuite, l’adhérence de plusieurs formulations de BRC à des substrats de béton humide et sec a été étudiée. Finalement, la durabilité de certaines formulations de BRC face aux cycles de gel-dégel, à l’attaque des sels fondants et à la pénétration des ions chlores a été caractérisée. Cette étude montre que lorsque certaines conditions sont réunies, le béton reste dans un état de compression ce permettant de réduire le risque de fissuration. Une faible température de cure ne permet pas le développement optimal de l’expansion, ce qui nuit à la compensation du retrait de séchage. Il en est de même en absence de mûrissement humide. Les résultats de l’adhérence des formulations de BRC à un substrat ont globalement été satisfaisants, cependant deux formulations, mises en place sur un substrat « humide », n’ont pas adhéré au substrat. Les essais de durabilité montrent une résistance acceptable à l’écaillage et aux cycles de gel-dégel des BRC. Toutefois, une perméabilité élevée aux ions chlores a été mesurée sur la plupart des formulations de BRC. / Drying shrinkage is one of the least desirable properties of repair concrete, because in restrained conditions, it may lead to shrinkage cracking and thus adversely affecting durability. Shrinkage compensating concrete (ShCC) is prone to the same drying shrinkage as Portland cement concrete. During the first days of ShCC’s hydration, the expansive agent, added to the cement, induce an expansion what balances approximately the subsequent normal drying shrinkage. This project outlines the study of the robustness of several ShCC mixtures design, in order to delineate some parameters influencing the behavior of ShCC. Two kinds of expansive agent is used, one based on calcium sulfoaluminate (type K) and the other based on calcium oxide (type G). The assessment of the robustness is divided in two parts : the first one aims to evaluate the influence of mixture design parameters (w/b ratio, cement composition, kind and ratio of expansive agent), the second one aspires to study the influence of curing conditions (water availability, temperature) on the expansive behavior. Then, the bond between ShCC repairs and concrete substrates were investigated. Being aware of the influence of the water availability on the expansion, each ShCC mixture design was added on a “dry” and a “wet” substrate. Finally, the freezing and thawing resistance, the scaling resistance, and the ability to resist chloride ion penetration were performed to assess the durability of ShCC mixture design. This study shows that certain ShCC mixture design can reduce the risk of cracking by maintaining the concrete in a compressive state. A low curing temperature prevents the expansion and harms the shrinkage compensation. The absence of curing results to the same observation. The results of bonding strength were generally acceptable. However, in the case of two mixtures design cast on a « wet » substrate, the ShCC layer deboned. The durability tests show a generally good resistance to freezing and thawing cycle and to scaling, but a high permeability to chloride ions.

L’apparition des fissures macroscopiques peut manifestement se déclencher à plusieurs étapes du processus de la vie d’une cathode dans une cuve d’électrolyse. Diverses causes peuvent engendrer un tel surgissement. Au préchauffage électrique, par exemple, la répartition spatiale irrégulière des gradients thermiques peut conduire à la naissance d’une ou plusieurs fissures. L’objectif principal de ce travail se résume à la modélisation et la simulation de la propagation de fissures dans un contexte multiphysique, thermo-électro-mécanique. L’approche se base sur une philosophie de développement numérique monolithique, du couplage fortement non linéaire avec la prise en compte des échanges thermoélectriques à travers les lèvres de fissures, par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). Ce projet a été dressé sous forme de trois sous-projets. En premier lieu, un nouveau modèle de la propagation de fissures en contexte thermomécanique dans un domaine fissuré a été développé. Une stratégie d’enrichissement géométrique par XFEM a été élaborée avec succès pour modéliser la propagation de fissures ainsi que pour atteindre le taux optimal de convergence espéré sur les réponses physiques et sur le calcul des facteurs d’intensité de contraintes. Trois benchmarks ont été examinés et validés à partir des résultats existants dans la littérature. Ensuite, un nouvel exemple de propagation de fissures et défauts multiples a été conçu. La comparaison des résultats obtenus montre la robustesse ainsi que la précision du développement numérique. En second lieu, une approche originale de la modélisation du couplage fort thermoélectrique, en présence d’une discontinuité matérielle forte statique et en tenant compte des échanges thermique et électrique à travers ses lèvres, a été développée. Tout d’abord, un modèle a été élaboré et validé dans le cas d’une fissure capacitive, où les propriétés du diélectrique, entre les lèvres de la fissure, jouent un rôle déterminant pour la quantification de son intensité d’échange. De même, un modèle a été confirmé pour le choix d’un milieu gazeux remplissant la région entre les deux lèvres, assurant l’aspect résistif d’échange thermique. Le modèle thermoélectrique a été mis en œuvre par XFEM, en implémentant la version améliorée, et en tenant compte du traitement des parasites numériques dus aux éléments de transition. Trois cas d’études ont été proposés, le premier a été appliqué pour valider la mise en œuvre numérique du modèle proposé via un patch test développé. Une bonne convergence et précision des résultats numériques ont été observées. Le second a porté sur le cas d’une fissure courbée, moins fréquente dans la littérature, qui peut être rencontré dans de nombreuses applications, et représente un défi numérique notable. Le troisième est une étude élaborée sur la cathode. L’analyse de l’impact de la présence des fissures sur l’efficacité énergétique a été soulevée aussi pour le cas de fissures multiples. En troisième lieu, une originalité numérique de la propagation de fissures en couplage thermo-électro-mécaniques (TEM) avec les échanges thermique et électrique entre les lèvres de la fissure a été exposée. La fissure n’est pas statique, cette fois-ci. L’aire générée par le déplacement des lèvres est prise en considération dans les expressions physiques des coefficients d’échanges thermique et électrique. Cela est transcrit par la quantification du saut de déplacement à travers les lèvres. Cet aspect rend le problème mécanique non linéaire, aussi, par le biais des échanges, et par conséquent le système global TEM est fortement non linéaire. Une approche originale du point de vue de la technicité d’intégration a été implémentée. Elle est fondée sur une technique de sous-triangulation barycentrique par une ’toile d’araignée’ pour les éléments de surface coupés par la fissure. Une autre technique basée sur l’intégration par ’bras’ de fissure réservée pour les éléments d’échanges thermique et électrique. Deux cas d’études essentiels ont été envisagés. Le premier est un exemple de propagation en mode mixte d’une fissure inclinée en TEM avec les échanges thermique et électrique en fonction du saut de déplacement. Le deuxième a été réservé pour un cas d’étude industrielle d’une cuve en opération, en contexte TEM. L’impact de la présence de la fissure sur les différentes réponses physiques est analysé. Comme constatation, en expansion thermoélectrique du bloc cathodique, la fissure a plus tendance à rejoindre la surface supérieure pour mettre, probablement, fin à la vie de la cathode. / The outbreak of visible cracks can be triggered at several stages in the life of a cathode block in an electrolysis cell. Various matters can prompt such an upsurge. Under electrical pre-heating, for example, the random spatial distribution of thermal gradients can lead to the rise of one or more cracks. The main objective of this work is to model and simulate the crack propagation in a multi-physical, thermo-electro-mechanical, context. The approach is based on a monolithic numerical development philosophy of a strongly nonlinear coupling, with the consideration of thermoelectric exchanges through the crack lips using the extended finite element method (XFEM). This project was sketched essentially on three sub-projects. Firstly, a new model of crack propagation in a thermomechanical fashion over a cracked domain has been developed. A geometrical enrichment strategy by XFEM has been successfully performed to model crack growth as well as to achieve the expected optimal convergence rate in physical responses and the computation of stress intensity factors. Three benchmarks were examined and validated from existing results in the literature. Then, anew example of the propagation of multiple cracks and multiple defects was designed. The comparison of the results obtained shows a good agreement with the reported works as well as the robustness and the accuracy of the numerical development. Secondly, an original approach to the modeling of full thermoelectric coupling, in the presence of a strong static material discontinuity and taking into account the thermal and electrical exchanges through its lips, has been elaborated. First, a model has been established and validated in the case of a capacitive crack, where the properties of the dielectric, between the inter-crack-lips, play a determining role for the ascertainment of its exchange intensity. Similarly, a model has been settled for the choice of a gaseous medium filling the gap between the two rims, ensuring the resistive heat exchange aspect. The thermoelectric model has been implemented via XFEM by performing the enhanced version and taking into account the treatment of numerical noise due to the blending elements. Three case studies were intended, the first one was employed to validate the numerical implementation of the stated model via a developed patch test. Good convergence and accuracy of numerical outcomes have been noted. The second focused on the case of a curved crack, less considered in the literature, which can be encountered in many applications, and represents a significant numerical challenge. The third is an elaborate study on the cathode. The analysis of the impact of cracks on energy efficiency was also raised for the case of multiple cracks. Thirdly, numerical originality of crack propagation in the context of the full thermo-electro-mechanical (TEM) coupling combined with thermal and electrical exchanges between the crack lips has been displayed. The area formed by the displacement of the two crack bank sis carried out in the physical expressions of the heat and electrical coefficients. The quantification of this gap is rendered by the resulting displacement jump across the lips. This aspect makes the mechanical problem nonlinear as well through exchanges, and therefore the global TEM system is strongly nonlinear. An original integration strategy, from a technical point of view, has been realized. It is based on a technique of barycentric sub-triangulation through a ’spider-web’ for the surface elements cut by the crack. Another procedure based on integration by crack ’arms’ reserved for heat and electrical exchanges elements. Two case studies have been examined. The first one is an example of the mixed-mode growth of a sloped crack in TEM context with thermal and electrical exchanges as a function of the displacement jump. The second was held for an industrial case of an electrolysis cell in operation and TEM circumstances. The impact of the presence of crack on several physical responses is analyzed. As an outcome, due to the thermoelectric expansion of the cathode block, the crack is expected to join the upper surface and lead to the end of the cathode’s life.

Ce mémoire est consacré à l’étude des méthodes de cure et leurs impacts sur le retrait et la fissuration du béton projeté. Plus globalement, cette recherche traite de la problématique de la fissuration des réparations en béton. Généralement, les réparations en béton projeté génèrent rapidement de grandes surfaces de béton frais. Si elles sont mal protégées, les sollicitations liées au séchage peuvent mener à l’échec de la réparation. Une méthode de cure adéquate permet de prévenir la fissuration et d’augmenter la durabilité de la réparation. Beaucoup reste à faire en ce qui concerne les techniques de cure et de protection afin de déterminer celles qui fonctionnent vraiment. Afin d’évaluer l’apport bénéfique de différentes méthodes de cure sur le béton projeté, une méthode de mesure du retrait a été développée. Cette étape permet de combler l’absence de norme ou de méthode permettant aujourd’hui de mesurer le retrait du béton projeté et de quantifier en même temps l’impact bénéfique des méthodes de cure. Avec cette méthode, les différents produits de cure externe suivants ont été évalués et classés du plus efficace au moins efficace : un agent de cure et de scellement liquide semblable à ceux à base de solvant, un agent de cure et de scellement liquide à base d’eau, un retardateur d’évaporation et enfin, le moins efficace, un agent de cure liquide à membrane à base de résine. Par la suite, des produits de cure interne ont été testés avec la méthode de mesure développée. Les produits testés sont une fibre synthétique et une fibre de chanvre. La fibre synthétique apporte un bénéfice dès la mise en place. La fibre de chanvre semble avoir apporté des améliorations notables plus importantes vis-à-vis du retrait du béton à long terme. Finalement, une technique de cure fréquemment utilisée en chantier (jute humide et polythène) a été évaluée. Les résultats des essais de type chantier sont peu concluants et ne permettent pas d’apprécier l’apport bénéfique des paramètres testés en raison des particularités de la méthode de mesure. En conclusion, ce projet a rempli sa mission quant à la détermination des bénéfices des méthodes de cure sur le béton projeté. Il ouvre également la voie à de nombreuses applications et possibilités futures jusqu’alors non envisageable pour le béton projeté grâce à la méthode de mesure développée. / This thesis is devoted to the study of curing methods and their impacts on the shrinkage and cracking of shotcrete. More generally, this research deals with the problem of cracking of concrete repairs. Generally, shotcrete repairs quickly generate large areas of fresh concrete. If poorly protected, drying stress can lead to the failure of the repair. Curing methods prevent cracking and increase the durability of concrete repair. Much remains to be done with regard to cure and protection techniques to determine what really works. In order to evaluate the beneficial contribution of curing methods on shotcrete, a shrinkage measurement method is developed. This step makes it possible to fill the gap in the standards or methods used today to measure the shrinkage of shotcrete and at the same time to quantify the beneficial impact of curing methods on shrinkage. This method allows to start measuring shrinkage only 4 hours after placement. With this method, the following different external curing products are evaluated and classified from the most effective to the least effective : a solvent based liquid curing and sealing agent, a water-based liquid curing and sealing agent, an evaporation retarder and finally, the least effective, a resin-based membrane liquid curing agent. The solvent-based liquid curing and sealing agent provided the best results. Then internal curing products are tested with the developed measurement method. The products tested are synthetic fibre and a hemp fibre. Synthetic fibre brings an benefits as soon as the concrete is placed. Hemp fibre seems to have made more significant improvements in concrete shrinkage in the long term. Finally, a curing technique frequently used on site is evaluated. The results of this test are inconclusive and do not allow to assess the beneficial contribution of the tested parameters due to the particularities of the measurement method. In conclusion, this project fulfilled its mission to determine the beneficial effects of curing methods on shotcrete. It opens the way for many future applications and possibilities that were not previously possible for thanks to the measurement method developed.

La coulée semi-continue est un procédé utilisé depuis une soixantaine d'années en industrie pour la production de lingots de laminage et de billettes d'extrusion. Malgré son usage populaire, cette méthode ne permet pas encore de couler des pièces exemptes de défaut. Un des problèmes récurant de ce processus de fabrication est la formation d'une fissuration à chaud dans la pièce coulée. Lorsque ce phénomène se présente dans le produit, il devient inutilisable, ce qui crée une perte énorme au niveau de la productivité. Ce défaut survient lorsque le métal est dans l'état semi-solide. La fissuration à chaud peut prendre naissance une fois que la fraction solide a atteint une valeur de 0,9. À ce stade, les particules solides forment un réseau solide appelé squelette. La phase liquide se présente sous forme de film autour des grains solides. Les gradients thermiques provoquent une contraction de la pièce. Cela a pour conséquence de générer des contraintes sur le squelette. Une fissure apparaît si cette déformation imposée est plus élevée que la résistance du réseau semi-solide. Elle va se propager dans le liquide intergranulaire, donnant ainsi naissance à une fissuration à chaud, si elle n'est pas comblée par un apport de métal liquide. Pour comprendre ce phénomène, un modèle tenant compte de l'évolution de la contrainte, dans la pièce en processus de solidification, en fonction de la déformation et de la température a été développée par D. Larouche. Cette théorie est basée sur des expériences faites sur un appareil simulant les conditions de solidification de la coulée semi-continue. Le modèle constitutif qui en découle représente le comportement contrainte-déformation d'un alliage lorsque celui-ci est dans un état semi-solide. Cette loi comportementale a été implantée dans un modèle thermomécanique 3D de la coulée semi-continue créé avec ABAQUS, un logiciel d'élément finis. Un critère de fissuration à chaud a été appliqué sur les contraintes calculées, générées par la modélisation, afin de déterminer s'il y a présence ou non de ce défaut dans la pièce coulée.

La détérioration prématurée des réparations en béton est le résultat de divers processus physico-chimiques et électrochimiques. La fissuration du béton de réparation est une des causes de dégradation les plus importantes et peut entraîner et accélérer le processus de corrosion des barres d’armature et ainsi diminuer significativement la durée de vie, non seulement de la réparation, mais de l’ouvrage dans son ensemble. Ce travail de recherche avait pour objectif de contribuer à identifier et développer une méthode d’essai objective et établir une corrélation avec des techniques d’essai indirectes. L’essai proposé utilise une dalle de béton de référence comportant en surface une cavité à combler avec le matériau à tester. Cet essai permet de simuler une réparation superficielle réelle, avec un degré de restriction représentatif et la possibilité de réaliser le vieillissement dans des conditions d’exposition diverses. Afin d’être en mesure d’apprécier le caractère représentatif de l’essai de performance et des techniques d’essai indirectes, des réparations expérimentales de grandeur nature ont aussi été réalisées sur des structures exposées en conditions extérieures. / The premature deterioration of concrete repairs in service is a result of a variety of physico-chemical and electrochemical processes. Among the most serious causes of repair failures is cracking of the repair. Cracking may result in the reduction of an effective cross-sectional area of the repaired structure and increase the effective permeability of the concrete cover, thus promoting corrosion of the reinforcement and further deterioration. The main objective of this project was to contribute to the development and assessment of a reliable test method for evaluating the sensitivity to cracking of repair materials. A performance test was developed and used to establish correlations with existing indirect test methods (ring test, beam deflexion test, drying shrinkage test, etc.). The performance test method uses of a reference slab containing a cavity on the top surface to be filled with the repair material to be tested. The reference test slab, which offers a degree of restraint comparable to what is found in reality, allows simulating the behavior of the material in real concrete repair conditions. In order to better evaluate the test methods, experimental repairs have also been made on existing structures exposed to service conditions.

Ce mémoire est consacré à l’étude du comportement des bétons projetés en condition de mouvement libre et restreint. Il traite de la problématique de fissuration des bétons de réparation et globalement, s’attaque à la durée de vie des ouvrages en béton. Les bétons de réparation développent d’importantes contraintes de traction internes lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations hydriques de séchage. Si aucune attention n’y est portée, cet accroissement de contraintes internes peut mener à la fissuration de l’élément. C’est pour évaluer le potentiel de fissuration des bétons projetés que ce projet propose une adaptation de la méthode d’essai de l’anneau de retrait restreint AASHTO PP34-99. En premier lieu, le mémoire aborde l’état des connaissances actuelles nécessaires à la compréhension de cette étude. Il est question des principaux phénomènes à l’origine des changements volumétriques et de la méthode d’essai utilisée. Ensuite, une étude d’adaptation et de validation de l’essai est présentée, suivie de l’évaluation de plusieurs leviers influant sur le bilan des déformations des bétons projetés. Finalement, par des simulations de réparation en laboratoire, on tente de confirmer le rôle essentiel de certains paramètres de conception des mélanges. / This project was carried out at Laval University and aim to measure volume changes in shotcrete. Premature repair work deterioration has become a major focus in the last two decades. This study was undertaken to ensure an improvement in the shotcrete repair work in order to avoid the most common concrete pathology, cracking. The performance of a repaired concrete structure, and thus its service life, depends on the quality of the composite (the repair material) and the existing substrate. When subjected to drying, the restrained composite undergoes significant internal stress increase that couldin many casesleads to the development of tensile cracks. This study validates the use of the restrained ring test AASHTO PP34-99 to evaluate the sensitivity to cracking of shotcrete repair materials. The document is divided into several sections. In the first place, an introduction of the volume changes in concrete brings the basic language and knowledge necessary to understand this study. Secondly, there is a discussion on the proposed modified method (and its validation) used to produce reliable test results. Following this, many concrete mixtures are tested in order to evaluate the major factors affecting crack sensitivity of shotcrete materials where half of them are tested in a so-called real repair work.

La déchirure à chaud est un défaut important observé lors de la coulée de certains alliages d'aluminium. Elle se produit au cours de la solidification lorsqu’une petite quantité de phase liquide reste emprisonnée dans la phase solide, affaiblissant la résistance en tension et conduisant à la fissuration de l’alliage. Dans le cas de la coulée semi-continue d’alliages d'aluminium (coulée avec refroidissement intensif et continue), la fissuration à chaud s’initie à la surface des lingots de laminage, là où la microstructure est particulièrement vulnérable, c’est-à-dire juste après la zone du refroidissement primaire. Afin d'étudier le comportement thermomécanique de ces alliages lors de la fissuration à chaud et l'impact de l’utilisation d’affineurs de grains, des essais de traction ont été effectués à de faibles taux de déformation sur des échantillons solidifiés dans un état semi-solide (fraction solide ~90-95% vol.) avec l'aide d'un appareil appelé DCSS (Direct Chill Surface Simulator). Cet appareil est constitué d’un banc d’essai reproduisant les conditions existantes pendant le refroidissement primaire du procédé de coulée semi-continue d’alliages d’aluminium. Le comportement thermomécanique des échantillons partiellement solidifiés sous l’application de charges en tension a été analysé et la formation de fissures à chaud a été observée. La température à différents endroits dans les échantillons, la charge appliquée et la déformation en surface ont été mesurées lors d’essais de traction effectués sur les alliages d'aluminium AA5182, AA6111 et AA3104. La microstructure de chaque spécimen a été examinée et analysée à l'aide d’un microscope optique afin d’évaluer l’aspect colonnaire ou équiaxe des grains et de son effet sur le comportement thermomécanique de l'alliage. Une importance particulière a été portée sur l'évaluation de la fraction solide présente dans chaque échantillon coulé au début des essais de traction, tenant compte de la température locale, du gradient thermique et des taux de refroidissement appliqués. Il a été observé que des concentrations excessives d’affineur de grains diminuaient la résistance mécanique en tension des coquilles solidifiées en raison d’une porosité plus élevée induite par une nucléation plus facile des nouvelles phases (gaz inclus). On a aussi constaté que les taux de refroidissement de l’alliage augmentaient avec la quantité d’affineur de grains, relié à un phénomène associé au nombre plus élevé des points de contact avec la surface du moule causés par les nombreux petits grains équiaxes. Finalement, la conception d’un critère basé sur la contrainte thermomécanique pour expliquer la fissuration à chaud a été renforcée par l’observation d’une meilleure résistance mécanique en tension obtenue sur des coquilles avec des microstructures non affinées pour les alliages AA5182 et AA6111 ayant des fractions solides similaires, mais avec des tailles de grain significativement différentes. / Hot tearing is a severe defect in aluminum castings which is produced during solidification when a certain amount of liquid phase remains and weakens the tensile resistance of the alloy. In direct chill casting of aluminum alloys, hot tears initiate at the surface of sheet ingots just after the primary cooling zone, where the microstructure is particularly vulnerable. In order to study the thermomechanical properties of these alloys and the effect of grain refiners on their thermo-mechanical behaviour, tensile tests were carried out on specimens in the semi-solid state (~90-95% solid fraction) and at low strain rates using an apparatus called Direct Chill Surface Simulator (DCSS). This apparatus is an instrumented rig test reproducing the conditions prevailing during the primary cooling stage of the DC casting process. The thermomechanical behavior of solidifying shells and the hot tear formation under applied tensile loads was analyzed and the occurrence of hot tearing was observed. The temperature in different locations of the casting, applied load and surface strain were monitored during the tensile tests conducted on aluminum alloys AA5182, AA6111 and AA3104. The microstructure of the tested specimens was examined using the optical microscope to evaluate the columnar or equiaxed aspect of grains and their effect on the thermomechanical response of the alloy. A special emphasis has been given to the evaluation of the solid fraction existing in the castings at the start of the tensile tests, taking into account the local temperature, thermal gradient and cooling rates experienced. It was found that excessive grain refiner additions decreased the strength of solidifying shells because of the increased level of porosity induced by easier nucleation of new phases (gas included). It was also observed that cooling rates increased with the level of grain refiner, a phenomenon that was associated to the higher number of contact points with the mould obtained with numerous small equiaxed grains. Finally, the concept of a stress based criterion for hot tearing was reinforced by the strengths obtained on not grain refined AA5182 and AA6111 alloys showing similar solid fraction near the surface, but with significantly different grain sizes.

La fissuration du béton à jeune âge est encore aujourd'hui un problème répandu dans les différents ouvrages et les moyens de s'en affranchir sont parfois difficiles à identifier. Un béton à faible E/C par exemple, aura une grande résistance mécanique, mais présentera cependant un retrait plus rapide. En condition de mouvement restreint, ce qui est le plus fréquent, les contraintes induites par ce retrait peuvent rapidement atteindre un niveau critique et conséquemment, générer de la fissuration. Le béton projeté n'échappe pas à cette réalité; son contenu généralement riche en ciment combiné à une mise en place unique peuvent le rendre encore plus vulnérable à la fissuration. Ce mémoire se consacre donc à l'étude du comportement déformationnel du béton projeté et à l'amélioration de sa résistance vis-à-vis de la fissuration causée par le retrait restreint. Afin de bien cerner l'impact des différentes composantes et caractéristiques du béton, l'étude expérimentale a été divisée en trois parties. La première repose sur l'étude du béton à son état le plus simple, soit des mélanges ne comportant que des granulats, du ciment et de l'eau. La seconde partie traite des bétons avec ajouts cimentaires (fumée de silice et cendre volante) tandis que la dernière phase porte sur l'effet des adjuvants réducteurs de retrait et des polymères. Les résultats obtenus permettent de bien illustrer l'effet des différents paramètres sur la sensibilité à la fissuration. / Early age concrete cracking is still today a widespread problem in various structures and the means to overcome it completely are sometimes difficult to identify. A low W/C concrete, for example, will have high mechanical strength, but will nevertheless undergo faster shrinkage. In restricted conditions, which is mostly the case on site, the stresses induced by this shrinkage can quickly reach a critical level and consequently generate cracking. Shotcrete is no exception to this reality; its generally high cement content combined with a unique placement method can make it even more vulnerable to cracking. This thesis is therefore devoted to the study of the deformational behavior of shotcrete and to the improvement of its resistance to cracking caused by restricted shrinkage. To clearly identify the impact of the different components and characteristics of the concrete, the experimental study was divided into three parts. The first is based on the study of concrete in its simplest state, i.e., mixtures comprising only aggregates, cement and water. The second part deals with concretes with cementitious additions (silica fume and fly ash) while the last phase deals with the effect of shrinkage-reducing admixtures and polymers. The results obtained make it possible to clearly illustrate the effect of the various parameters on the sensitivity to cracking.