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.

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.

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.

La Thermographie des Courants de Foucault (Eddy Current Thermography, ECT) est une méthode de contrôle non-destructif (CND) sans contact, et de nos jours il est utilisé dans une large gamme d'applications. Cette méthode combine les techniques de courants de Foucault et des techniques de thermographies de type CND afin de fournir une méthode efficace pour la détection des fissures. Dans cette méthode, le courant de Foucault est généré dans les échantillons métalliques. Si l'échantillon contient des fissures, le déplacement du courant et la propagation de la température à l'intérieur des échantillons métalliques seraient affectés par ces fissures. Les changements de la distribution de température sont captés par une caméra infrarouge. L'un des principaux défis de cette méthode est qu'elle nécessite beaucoup de paramètres dans les expériences, tels que l’excitation des bobines: la valeur de la fréquence, le nombre de tours, le matériel de fil, le rayon de la bobine ... Afin d'optimiser les expériences, la simulation numérique est nécessaire, et le logiciel COMSOL Multiphysics® FEM est une solution très appropriée. Pendant le processus de simulation, une limite de détection de fissure a été proposée pour une fissure dans un spécimen métallique donné. Les résultats de la simulation et de la limite de détection des fissures sont également vérifiés au moyen d’expériences en laboratoire. L'objectif final de cette thèse est de fournir une image globale de la Thermographie des Courants de Foucault, la limite de détection des fissures et la manière dont la simulation ainsi que les expériences doivent être effectue afin de détecter les fissures dans les échantillons de plaques métalliques. Ces échantillons ont été fournis par L3-MAS et Pratt & Whitney Canada (PWC), les partenaires industriels impliqués dans ce projet quia été financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et le Consortium de recherche et d'innovation en aérospatiale au Québec (CRIAQ). / Eddy Current Thermography (ECT) is a non-contact, non-destructive testing (NDT) method, and nowadays it is used in a wide range of applications. This method combines eddy current and thermographic NDT techniques in order to provide an efficient method for crack detection. In this method, the eddy current is generated into metallic specimens. If the specimen contains cracks, the current flow and temperature propagation inside the metallic specimens would be affected by these cracks. The changes of temperature distribution are captured by an infrared camera. One of the main challenges in this method is that it requires many parameters in the experiments, such as coil excitations: the frequency value, number of turns, material of wire, radius of the coil...In order to optimize the experiments, numerical simulation is necessary, and COMSOL Multiphysics® FEM software is a very suitable solution. During the simulation process, a crack detection limit for a crack in a given metallic specimen has been proposed. The simulation results and crack detection limit are also verified using experiments in the laboratory. The final goal of this thesis is to provide the overall picture of the Eddy Current Thermography, crack detection limit and the manner in which to simulate as well as perform the experiments in order to detect cracks on the metallic plate specimens which were provided by L3-MAS and Pratt & Whitney Canada (P.W.C), the industrial partners involved in this project which was sponsored by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) and The Consortium for Research and Innovation in Aerospace in Québec (CRIAQ).

Le béton fibré à ultrahaute performance (BFUP) est reconnu pour sa grande résistance en compression et sa grande ductilité. De plus, il est maintenant bien connu que le comportement du BFUP dépend grandement de l’orientation des fibres par rapport à la direction de sa sollicitation. Cependant, peu d’informations sont disponibles dans la littérature à propos de l’impact de la discontinuité locale des fibres causée par un défaut de coulage dans un mélange de BFUP. Dans ce mémoire de maîtrise, un protocole de laboratoire est développé afin de mesurer l’impact de la présence de défauts dans le béton fibré à ultrahaute performance. Ce protocole de laboratoire se base sur un système de mesures photogrammétriques de corrélation d’images digitales. Cette technique permet d’acquérir des mesures de déformations et de déplacements avec l’aide d’une paire de caméras numériques à haute résolution. Un post-traitement informatique des images prises lors de l’essai permet de récréer un modèle 3D de la surface de l’échantillon observé. Avec l’aide de cette nouvelle méthode de mesure, il est possible de présenter différents aspects du comportement non linéaire de ce matériel. Lors de ce projet, six dalles avec ou sans défaut ont été soumises à un effort flexionnel avec une charge ponctuelle. En développant un protocole de laboratoire adapté aux besoins de ce projet, la corrélation d’images numériques a permis d’obtenir des résultats très précis. Une attention particulière est portée sur l’impact des différents défauts sur le comportement mécanique global de la dalle et sur l’endommagement local lors de la fissuration. / Ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is well known for its great compressive resistance and its ductility. Furthermore, it is also well known that UHPFRC strongly depends on fibers’ orientations relatively to the direction of stresses. However, little is documented in the literature about the impact of local fiber discontinuity caused by casting defect. In this MSc thesis, a laboratory protocol is developed in order to measure the impact of the presence of defects in a UHPFRC slab on the mechanical response. This protocol is based on a system of photogrammetric measurement by digital image correlation (DIC). This technique allows the precise measure of the deformation as well as the displacement with help of a pair of high resolution digital camera. A computer-based post treatment analysis of these pictures is used to create a 3D model of the observed sample surface. With this new analysis method, it is possible to present different aspect of the non-linear behavior of this material. During this project, 6 different geometries of slab with and without casting defect were submitted to flexional stress by punctual loading. By developing a laboratory protocol adapted to this project, digital image correlation analysis gave a multitude of very precise results. A specific attention is made to the impact of the defect on the global mechanical behavior as well as the local damaging caused by the micro-cracks.

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 réaction alcalis-silice (RAS) est un des principaux mécanismes nuisibles affectant la durabilité du béton. Le programme de recherche effectué dans le cadre de ce doctorat comprend deux parties (3 phases), soit la caractérisation microstructurale de produits de la RAS et la modélisation du mécanisme d’endommagement du béton par la RAS. Les résultats expérimentaux de cette recherche fourniront de nouvelles données sur les propriétés microstructurales de bétons affectés par la RAS. Les travaux effectués lors de la première phase du programme expérimental avaient pour objectif de caractériser les propriétés micromécaniques des produits de la RAS à l’aide de nouvelles techniques de nano- et micro-indentation, avec emphase portée sur leur propriété en viscosité. Les échantillons de béton utilisés lors du programme d’essais ont été extraits d’un pavage en béton fortement affecté par la RAS et situé dans la région de Bécancour (Québec). Le béton est caractérisé par de nombreuses particules de granulats de calcaire à grains fins contenant des microfissures remplies de produits secondaires de RAS; les fissures s’étendent dans la pâte de ciment pour former un réseau se propageant de particule en particule. Après une préparation soigneuse de l’échantillon par polissage, la surface des particules de granulats et des veinules apparaissant dans ces particules (i.e. microfissures remplies de produits cristallins de réaction) ont été examinées par Atomic Force Microscopy (AFM) avant de procéder aux essais de nano-indentation. Des valeurs de module et de dureté ont été mesurées pour les produits de réaction par micro- et nano-indentation. Les résultats de ces essais indiquent que les produits cristallins de RAS offrent un comportement de relaxation important atteignant environ 40%. De plus, un modèle rhéologique simplifié est proposé permettant de reproduire les courbes de relaxation sous charge et les valeurs asymptotiques. Ces résultats suggèrent que la relaxation des produits de RAS est importante et principalement irréversible. Les travaux de la deuxième phase du programme expérimental ont permis d’explorer l’utilisation d’une nouvelle technique de microscratch afin de caractériser l’énergie de fracturation (i.e. rigidité) des particules de granulats réactifs de type calcaire dans un béton fortement affecté par la RAS (viaduc routier de la région de Québec). Les particules de granulats montraient typiquement un zonage (zones gris-foncées et gris-pâles) entourant des veinules blanchâtres au sein des particules réactives. En tant que référence, un échantillon de calcaire vierge provenant d’une carrière de la région de Québec a été sélectionné et soumis aux mêmes procédures d’essais. En plus des propriétés élastiques, la rigidité des particules de granulats réactives ont été mesurées statistiquement et se situe autour de 1.5 MPam1/2. La rigidité de fracturation des particules de granulats réactives a démontré n’être affecté ni par la direction d’essai par rapport au plan de litage, ni par la zonation qui a d’abord été interprétée comme des portions montrant des signes de réaction. Ainsi, l’endommagement des particules de granulats semble se situer presqu’essentiellement au niveau des microfissures générées dans les particules réactives. La dernière phase du programme expérimental s’est concentrée sur la caractérisation des propriétés en fluage et en relaxation des produits cristallins de RAS remplissant les microfissures des granulats calcaire réactifs (échantillons provenant du pavage fortement affecté par la RAS utilisés lors de la première phase du programme expérimental). Les essais de micro-indentation ont été réalisés sous deux conditions d’humidité relative. Il a été observé qu’une augmentation en humidité relative réduisait fortement la déformation de fluage irréversible des produits cristallins de RAS, qui montrent un temps caractéristique plus grand. Ainsi, la teneur en eau semble favoriser le mécanisme de glissement irréversible le long ou entre les plaquettes des produits cristallins (rosettes lamellaires) de RAS sous charge constante. Finalement, les implications des résultats de ces travaux sont discutées en lien avec le processus de génération de pression à l’intérieur des particules de granulats réactives. Les propriétés rhéologiques des produits de RAS peuvent jouer un rôle critique lors du relâchement des contraintes internes induites par l’expansion de ces produits. Enfin, un modèle simplifié « 1D » est proposé comme nouvel outil de recherche, et ce afin de prendre en compte les principaux résultats de cette étude, i.e. les propriétés visco-élastiques des produits de RAS et les propriétés de rigidité des particules de granulats réactives. / The Alkali-Silica Reaction (ASR) is one main detrimental factor to affect the durability of concrete. The research comprises two parts, i.e. microstructural characterization of ASR products (3 phases), and modeling of concrete damage due to ASR. The experimental results will provide new findings on the microstructure properties of ASR-damaged concrete. The work in the first phase of the research aims at characterizing the micromechanical properties of ASR products by new techniques of nanoindentation and micro-indentation, with emphasis on their viscous behavior. The concrete samples were extracted from a heavily ASR-affected concrete pavement in Bécancour (Québec). The concrete is characterized by numerous fine-grained limestone aggregate particles with microcracks filled with secondary reaction products that extend into the cement into a network from one aggregate particle to another. After careful sample preparation (polishing), the surface of the aggregate particle and of the veinlets (i.e. cracks filled with crystalline ASR product within the aggregate particles) was examined by Atomic Force Microscopy (AFM) before nanoindentation testing. Both nanoscale and microscale indentation modulus and hardness of ASR products were measured. The test results show that ASR crystalline products exhibit important relaxation behavior of about 40%. Then, a simplified rheological model was proposed to fit the load relaxation curves and their asymptotic values. These results suggest that ASR product relaxation is significant and mostly irreversible. The second research phase explored the use of the novel micro-scratch technique to characterize the fracture energy (i.e., toughness) of the ASR-affected limestone aggregate particles within a core specimen extracted from a heavily ASR-affected concrete bridge from the Québec City area. The ASR-affected aggregate particles were typically showing “zoning” (i.e. light grey and dark grey) surrounding white veinlets within reacted limestone aggregate particles. As a reference, an undamaged/virgin quarried limestone specimen from a local quarry was selected and subjected to similar testing. Besides the elastic properties, the toughness of the reactive aggregate particles was statistically measured to be around 1.5 MPam1/2. The fracture toughness of reactive aggregate particles was affected neither by the bedding line directions nor by the “zoning” that was first thought to correspond to “reacted” portions of the particles. Besides the major cracks filled by ASR products, the results indicated that the surrounding reactive aggregate was not characterized by any significant internal damage distribution. In the later phase of the experimental program, our research focused on characterizing the creep and stress relaxation properties of the ASR crystalline products typically filling microcracks within reactive limestone particles (specimen from the heavily ASR-affected concrete pavements in Bécancour (Québec) used in phase 1). The testing carried out was micro-indentation under controlled relative humidity. It was found that an increase in relative humidity strongly reduces the irreversible creep deformation of ASR crystalline products, which act a greater characteristic time. That is, the water content seems to favor irreversible sliding mechanisms along/between the ASR crystals under constant load. Finally, the implications the research findings are discussed with respect to the stress build-up process within reactive aggregate particles. The rheological property of ASR products may play a critical role to releasing the internal stress induced by the ASR product expansion. Finally, a “1D thought model” is proposed as a new research avenue to account for the major results of this work into ASR-damaged concrete modeling, i.e., the visco-elastic property of ASR products and the damage toughness of reactive aggregates.

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.