212 - Innovations dans le béton pour faire face au défi des infrastructures

Fondé en 1982, le Centre de recherche sur les infrastructures en béton (CRIB) est un regroupement stratégique financé par le Fonds de recherche québécois - Nature et Technologies (FRQ-NT) qui travaille au développement de nouveaux matériaux et de nouveaux outils permettant de prédire et d'améliorer la durée de vie des ouvrages neufs ou devant être réparés.

Le CRIB vise également à mieux estimer les coûts financiers, sociaux et environnementaux reliés à la construction et à l'entretien des infrastructures en béton. Les éléments de la programmation du CRIB s'inscrivent dans le cadre d'une politique de développement durable des ressources de la société.

Ce projet de recherche est consacré à l'étude du comportement des bétons projetés en condition libre et restreinte. Il s'inscrit au sein de la problématique de fissuration des bétons de réparation et, globalement, s'attaque à la durée de vie des ouvrages en béton. Lorsque soumis à des charges hydriques et en condition de mouvement empêché, les bétons de réparation développent d'importantes contraintes de traction internes. Si aucune attention n'y est portée, cet accroissement de contraintes peut mener à la fissuration de l'élément et donc à une diminution de la durée de vie de l'ouvrage. Ce projet propose une adaptation de la norme AASHTO PP34-99 afin de mesurer le bilan des déformations d'un mélange de béton projeté. Il met également en valeur plusieurs leviers de conception de mélange qui ont une influence positive (ou négative) sur le bilan déformationnel des bétons projetés, toujours dans le but de mieux comprendre et d'éviter les problèmes de fissuration du béton sur les ouvrages réparés.

Pour accélérer le processus naturel d'autocicatrisation et pour parvenir à cicatriser complètement des fissures larges dans les mortiers, la biocicatrisation semble l'un des moyens les plus prometteurs. L'objectif principal de cette recherche est de mieux comprendre les mécanismes de la biocicatrisation des matériaux cimentaires pour pouvoir accélérer la cinétique et maximiser l'efficacité du colmatage de fissures relativement importantes. L'approche de biocicatrisation étudiée consiste à imprégner les fissures à l'aide d'un milieu de culture (milieu précurseur) contenant des souches bactériennes. Ce projet de recherche comporte deux volets : une étude sur les mortiers et une étude sur les bactéries. L'étude sur les mortiers porte plus spécifiquement sur la cicatrisation naturelle, mais aussi sur l'influence de deux milieux précurseurs (lactate et gluconate de calcium) sur cette autocicatrisation. L'étude sur les bactéries vise à sélectionner et à suivre le développement des bactéries dans différents milieux en vue de leur future utilisation dans les fissures de mortier. Des éprouvettes de mortier ont été soumises à une fissuration contrôlée. La cinétique de l'autocicatrisation est évaluée à l'aide d'une cellule de perméabilité à l'air qui permet de mesurer l'évolution au cours du temps de l'ouverture apparente des fissures. Le milieu de culture retenu et la souche bactérienne alcalinophile montrent un potentiel prometteur lors du suivi de croissance en erlenmeyers.

Les spécifications de performance nécessitent une évaluation explicite des caractéristiques qui peuvent être mesurées quantitativement. L'un des défis majeurs dans ce processus est la détermination de la performance maximale de quand et où les propriétés doivent être mesurées. Les tests sur béton frais classique ne reflètent pas nécessairement le béton mis en place. De plus, les éprouvettes d'essairécupérées sont souvent stockées dans des conditions quasi-optimales. Dans cette recherche, l'influence de la microfissuration est étudiée comme un défaut commun de construction sur les propriétés de transport dans le cœur du béton. La technique de la vitesse d'impulsion à ultrasons est utilisée pour quantifier les dommages internes. Les résultats indiquent que la propagation des fissures interconnectées au mortier se crée par fendage en traction avec des charges allant au-delà de 80% de la résistance ultime. Ces fissures augmentent la quantité d'absorption à l'eau (ASTM C1585) et la conductivité électrique (ASTM C1760) du béton d'une façon significative. En conséquence, cette augmentation peut conduire à différentes acceptations de tolérance de microfissurations dans le domaine de la construction.

La réaction alcalis-silice (RAS), une réaction chimique se produisant entre certaines phases minérales siliceuses des granulats et les hydroxydes alcalins de la solution interstitielle du béton, fait partie des principaux processus affectant la durabilité des infrastructures en béton à travers le monde. Au cours des dernières années, plusieurs méthodes ont été développées afin d'évaluer l'état actuel et le potentiel de détérioration future de bétons atteints de RAS. Parmi celles-ci, les méthodes pétrographiques du Damage Rating Index (DRI) et de l'Analyse d'Image (AI) sur plaques polies imprégnées à la résine époxide fluorescente possèdent le potentiel de devenir des outils diagnostiques du degré d'endommagement du béton affecté par la RAS, paramètre critique lors de la sélection des méthodes de réfection des structures affectées.

Ce projet consiste à développer une approche d'analyse pétrographique semi-quantitative de l'état d'endommagement de bétons affectés par la RAS par une combinaison de l'AI et du DRI. Pour ce faire, le niveau d'endommagement microstructural de bétons incorporant différents types de granulats réactifs (sable réactif, pierre réactive; différents types de roches) a été évalué par ces deux méthodes et les résultats analysés de façon critique. Ces résultats ont ensuite servi de base pour l'analyse du comportement mécanique (résistance en compression, traction et module d'élasticité) des bétons endommagés.

La formulation des bétons autoplaçants (BAP) requiert une forte teneur en liant et en adjuvants chimiques afin d'assurer leurs fluidité, homogénéité et stabilité. C'est pourquoi le remplacement partiel du ciment par des ajouts cimentaires est une pratique courante. Cela permet, par ailleurs, de diminuer le prix de revient du BAP, de limiter l'utilisation des ressources naturelles et d'atténuer la production de gaz à effet de serre. D'autre part, l'utilisation du verre mixte au Québec génère beaucoup de déchets polluants et nuisibles à l'environnement.

Dans cette optique, on s'intéresse à la valorisation de la poudre de verre mixte dans les bétons autoplaçants pour des applications résidentielles et industrielles. Cela constitue une solution novatrice au remplacement partiel du ciment par un ajout cimentaire alternatif « local ».

Afin d'évaluer l'effet de la poudre de verre sur la rhéologie des BAP et leurs performances à l'état durci, la démarche expérimentale consiste d'abord à caractériser et optimiser les pâtes de ciment à matrices binaires et ternaires avec des taux de substitution du ciment de 0-20-30-40% par la poudre de verre. Ensuite, les BAP avec un rapport E/L=0,42 sont optimisés et caractérisés, pour leurs propriétés de fluidité, d'homogénéité et de stabilité. Enfin, les propriétés mécaniques et de durabilité sont déterminées.

Les cendres volantes de biomasse (CVB) provenant d'une usine de pâte à papier et la poudre de verre (PV) possèdent des propriétés hydrauliques ou pouzzolaniques. En conséquence, elles peuvent être utilisées en tant que matériaux cimentaires. Nous présentons ici l'étude de la possibilité de créer un liant alternatif au ciment Portland par l'utilisation de ces deux matériaux recyclés.

Ces CVB et PV, en tant que matières premières principales, en combinaison avec des laitiers de hauts fourneaux et des cendres volantes de classe F, ont été activés par de l'eau ou des solutions alcalines. Les résultats ont montré que le mortier avec CVB et laitier peut générer une résistance comparable à celle de mortier avec du ciment Portland soit 41 MPa à 28 jours. Les mélanges PV et laitier activés par du carbonate de sodium présentent une meilleure performance que celle donnée comme référence dans la revue bibliographique. De plus, après une cure à long terme jusqu'à 91 jours, le mortier de PV combiné avec des CVB possède une résistance à la compression similaire à celle du même mélange ayant subi une cure à température élevée durant le durcissement à jeune âge. Plusieurs caractéristiques, comme les analyses DRX, MEB, ATG/ATD, et la calorimétrie ont été réalisées pour évaluer les produits de la réaction.

En raison de leur teneur élevée en silice amorphe (SiO₂), les déchets de verre représentent un matériau à valoriser pour la conception de fumée de silice alternative et de béton à haute performance (BHP). La « fumée de verre » est conçue à partir de la poudre de verre recyclée comme matière première. Elle possède une morphologie sphérique et amorphe avec une plage de taille bimodale comparable à la fumée de silice. Les particules de la « fumée de verre » ont un diamètre moyen de 100 nm : elle est composée de 97 à 98 % en nanoparticules de 25 à 250 nm de diamètre et de 2 à 3 % de microparticules de 1 -10 µm de diamètre. Dans une situation où l'utilisation de la fumée de silice est limitée en raison de sa rareté et de son coût élevé, la « fumée de verre » peut représenter une alternative valable.

Malaxée avec le ciment, la « fumée de verre » offre des sites de nucléation pour la portlandite et a un comportement pouzzolanique et filler. Bien dispersée, elle accentue les propriétés rhéologiques de la pâte et les propriétés mécaniques des mortiers. La « fumée de verre » a également été testée dans les BHP. Les évolutions de la résistance à la compression et de la perméabilité du béton composé de cette fumée sont comparables à celles d'un béton composé de fumée de silice. Les observations au MEB de pâtes cimentaires, de mortiers et de bétons montrent que la « fumée de verre » densifie à la fois la matrice cimentaire et la zone de transition interfaciale.

Récemment, l'industrie minière au Québec se retrouve de plus en plus dans le besoin d'une politique destinée à la recherche de solutions adaptées afin de répondre aux normes et exigences environnementales entre autres en matière de gestion des rejets miniers générés. Le développement de filières de valorisation de rejets peu ou non sulfureux comme matière première secondaire devient alors un grand atout environnemental, économique et social. Cette réutilisation qui peut se faire hors site minier lui permettra de baisser le volume de matériaux stériles à entreposer en surface. L'objectif de ce travail est de mettre en valeur des stériles très faiblement à non sulfureux générés par des sites miniers en Abitibi comme ingrédients de base des bétons non structurels. Ces stériles se doivent de répondre à différents critères de conformité en matière de normes de construction et environnementales. Les classes granulaires, les teneurs en soufre et les compositions chimiques et minéralogiques sont déterminés. Différentes formulations de béton sont préparées à partir des stériles concassés, comparées à un béton conventionnel, et la résistance à la compression à 7, 14, 28 et 56 jours est mesurée. Les échantillons après écrasement sont caractérisés (porosité Hg-MIP, MEB-EDS et DRX). La durabilité sera aussi étudiée afin de valider les performances des stériles miniers comme matériaux granulaires (UCS, vitesse de prise et test d'expansion pour évaluer la probabilité d'attaque sulfatique).

Au cours des dernières années, les propriétaires de plus de 1000 maisons unifamiliales et de bâtiments commerciaux de la région de Trois-Rivières (Québec) ont fait face à d'importants problèmes de durabilité de leurs fondations et dalles de béton. La présence de pyrrhotite a été observée dans le granulat ayant servi à la fabrication des bétons montrant des problèmes prématurés de détérioration. Dans certains cas, la dégradation est telle que des interventions à court terme sont requises. L'oxydation de la pyrrhotite a engendré le gonflement et la fissuration précoce des éléments de béton.

Or, la présence de sulfures de fer dans les granulats est assez répandue, il était donc essentiel d'étudier les mécanismes de réaction et les paramètres influant la réaction afin de mettre en place un protocole d'évaluation de la performance des granulats.

Un protocole d'évaluation des granulats par étapes est proposé. La première étape est basée sur une analyse chimique des granulats en tenant compte principalement de la teneur en soufre total. Les granulats avec des teneurs en soufre au-delà d'une valeur seuil poursuivent l'évaluation à partir d'un test de consommation d'oxygène qui détermine le potentiel d'oxydation du granulat. Finalement, un test accéléré d'expansion sur barres de mortier est proposé. Des travaux supplémentaires sur une gamme importante de granulats devraient permettre de raffiner les valeurs seuils et d'éviter dans l'avenir l'utilisation de granulats problématiques.

Cette étude, répondant aux exigences du développement durable, consiste à élaborer, caractériser et modéliser un béton composite, obtenu par substitution d'une fraction appropriée de granulats naturels par des granulats composites nouveaux, élaborés en enrobant des billes de polypropylène avec de la poudre de marbre ou de céramique, issues de la récupération, par un coulis de chaux, pour annihiler le phénomène de remontée de la bille non enrobée dû à l'absence d'adhérence du polypropylène dans la matrice béton. Le granulat composite ainsi obtenu a fait l'objet d'une modélisation mathématique par la technique d'homogénéisation auto cohérente pour la détermination de ses caractéristiques mécaniques, ainsi que de la conductivité thermique. Le béton composite a fait l'objet d'une caractérisation mécanique qui a permis d'évaluer ses caractéristiques mécaniques et de les comparer au béton ordinaire. Deux nouveaux modèles semi-analytiques sont proposés dans cette étude pour calculer les résistances du granulat composite et du béton composite.

La technologie de cure par carbonatation précoce a été développée pour obtenir, à moindre coût, un béton aux performances similaires à celui de l'ordinaire cure par étuvage. Un procédé en 3 étapes a été mis en place : cure à air ambiant pour une absorption de CO₂ optimale, carbonatation de courte durée et hydratation ultérieure. La résistance obtenue est comparable à la cure par étuvage. De plus, la durabilité du béton est améliorée. À cela s'ajoute une séquestration du dioxyde de carbone pouvant aller jusqu'à 1,5% des émissions de CO₂ de l'industrie des blocs de béton aux États-Unis et au Canada. Tous ces éléments font de cette méthode une innovation à même de répondre aux nouveaux défis de notre époque.

La microstructure du ciment soumis à la carbonatation précoce a été étudiée afin de comprendre les qualités de ce procédé. La carbonatation s'effectue en 2 étapes : d'abord la séquestration rapide du CO₂ (jusqu'à 3h) produit du carbonate de calcium amorphe et nanocristallin; puis les cristaux grossissent. L'ATG associée à la spectrométrie de masse a révélé la relation entre le carbonate de calcium amorphe et les silicates de calcium hydratés (CSH). Enfin, la carbonatation induit une réduction du ratio calcium sur silice au sein du CSH par augmentation de la longueur des chaînes de CSH, mais sans création de gel de silice. La structure composite formée de chaînes longues de CSH et de cristaux de carbonate de calcium est la cause de la résistance et de la durabilité du béton.

Depuis plusieurs années, les recherches ont permis de recueillir une importante quantité d'informations sur les principaux leviers affectant la durabilité des bétons : le rapport eau/liants, l'utilisation d'ajouts cimentaires, les procédures de mise en place, la cure humide, etc. À partir de ces informations, il est désormais possible de produire un mélange de béton durable ou, à tout le moins, plus durable qu'autrefois. Malheureusement, peu d'informations est disponible sur le même sujet à propos des bétons projetés. En effet, ses propriétés sont fonction de plusieurs autres paramètres liés au pompage, à la méthode de mise en place pneumatique et à une conception de mélange différente (teneur plus élevée en pâte et plus faible en granulat, ajout d'adjuvants spécifiques, etc.). Cette présentation tente de corréler les informations disponibles en béton conventionnel avec le béton projeté.

Nous abordons la durabilité en termes de durée de vie des ouvrages où le résultat est fonction d'une combinaison des conditions d'exposition et des propriétés du matériau. En parallèle, les bases de la conception d'un mélange de béton projeté pour le pompage et la mise en place seront révisées. Ceci sera fait en ayant comme objectif d'identifier les principaux paramètres liés à la pompabilité et, ultimement, d'émettre des recommandations sur la conception d'un mélange de béton projeté par voie humide tout en considérant l'aspect durabilité.

Le béton est un matériau complexe dont les propriétés évoluent au cours du temps. Ceci est dû à sa composition initiale, les sollicitations mécaniques, l'effet de la température ou de l'altération chimique à la suite de réactions entre la matrice et l'eau ou d'agents externes agressifs. Dans tous les cas, cela se traduit par une modification de sa porosité, de la salinité de l'eau interstitielle ou de sa composition chimique. Les méthodes de contrôle non destructives basées sur la résistivité électrique permettent d'évaluer l'intégrité du béton ou de mettre en évidence les défauts développés au cours du temps. Elle est particulièrement sensible à la porosité effective, à la saturation, à la salinité de l'électrolyte dans les pores et fissures, et à la composition du béton. Des phénomènes physico-chimiques tels que la réaction alcali-silice sont plus subtils à mettre en évidence, car, à moins que le phénomène soit à un stade très avancé, il ne modifie pas de manière significative les caractéristiques précédentes (porosité, saturation, salinité, composition). Par contre, la réaction entraine une modification de la double couche électrique entre la matrice et l'électrolyte, et de l'état de la surface des grains. Ces phénomènes seraient détectables par des méthodes de spectroscopie d'impédance électrique. Cette présentation fera une revue de la méthode électrique appliquée à la caractérisation du béton et de ses défauts, et exposera les développements en cours.

Les nombreux séismes des dernières décennies ont causé l'effondrement de plusieurs ouvrages d'art qui ne comportaient pas de détails de conception parasismique adéquats. Le mode de rupture par perte d'ancrage des barres d'armature chevauchées a été fréquemment observé. Ce type de rupture est provoqué par une conception déficiente de l'armature située à la base des piles dans la zone de joints de chevauchement. Les normes de conception parasismique ont considérablement évolué depuis que ces piles ont été construites. Une mise à jour doit être effectuée afin de rendre ces structures résistantes et sécuritaires. Il n'existe actuellement aucune méthode permettant de renforcer adéquatement et efficacement les piliers rectangulaires ou les piles murs. Le renforcement par chemisage en BFUP pourrait s'avérer une solution innovante et performante pour la réhabilitation sismique des piles fortement rectangulaires. Cette technique consiste à remplacer le béton existant autour des barres chevauchées à la base des piles par un BFUP. L'objectif de ce projet de recherche est de démontrer l'efficacité de la technique de renforcement à l'aide d'essais à échelle réelle sur 4 piles de ponts construits selon les normes de conception antérieures à 1970. Les résultats expérimentaux démontrent la capacité du BFUP à éliminer le mode de rupture par perte d'ancrage ce qui confère une ductilité considérable aux piles de ponts.

Le vieillissement des infrastructures publiques comme les ponts métropolitains nécessite une analyse financière et technique soignée pour déterminer la date optimale des réparations majeures. Cette étude propose une approche de simulation Monte Carlo basée sur la théorie des options réelles, ce qui permet l'évolution stochastique des variables financières, économiques et physiques. Les résultats sont présentés sous forme d'une interface Matlab qui permet de trouver des solutions optimales en fonction des paramètres du problème tels que définis par l'utilisateur. Les résultats consistent en une distribution (histogramme) de dates optimales, reflétant le caractère stochastique du problème, ainsi que des analyses de sensitivité pour évaluer la robustesse de la solution. L'analyse considère la décision de réparation comme un problème d'arrêt optimal (optimal stopping time) avec, à chaque date, le choix entre réparer ou attendre une période de plus et reconsidérer. La détérioration du pont est représentée par une matrice semi-Markovienne de probabilités de transition entre états. La valeur économique du pont dépend de son état physique et de son utilisation (une fonction de la croissance du PIB réel), tandis que les coûts dépendent des variables économiques et financières comme le taux d'intérêt.

Les parapets utilisés dans la vaste majorité des ponts au Canada sont coulés en place avec du béton haute performance. Cette technique présente certains inconvénients. D'abord, les déformations du parapet nouvellement installé sont restreintes par la dalle de pont rigide. Ceci mène fréquemment à la formation d'une fissuration traversante dans le parapet qui est préjudiciable à sa durabilité. Ensuite, cette technique exige une longue période de construction qui retarde la mise en service des ponts. Dans ce contexte, l'École Polytechnique de Montréal a développé des parapets préfabriqués en bétons fibrés à haute et ultra-haute performance (BFHP et BFUP). L'usage de la préfabrication accélère les travaux de construction en chantier, élimine la problématique de fissuration par déformation restreinte et fournit des parapets de grande qualité. De plus, l'utilisation de BFHP et BFUP permet une réduction de la section et du renforcement des parapets et leur procure une durabilité accrue en service. Récemment, deux nouveaux concepts de parapets préfabriqués avec trottoir intégré ont été développés. Ils ont été construits à taille réelle, de même qu'un parapet coulé en place, et ont été soumis à un chargement transversal jusqu'à leur rupture. Les résultats expérimentaux démontrent que les parapets préfabriqués surpassent largement les exigences de résistance du Code des ponts canadien et présente une fissuration réduite en service par rapport au parapet coulé en place.

Au Québec, plus de 30 000 structures souterraines ont été installées par Hydro-Québec lors des 30 dernières années. Ces structures sont en béton armé de barres d'acier et servent à abriter ou raccorder certains équipements. Qu'elles soient préfabriquées ou coulées sur place, ces structures subissent d'importants problèmes de dégradation avec le temps, surtout à partir de la surface qui est en contact avec le sol. Cette dégradation peut être due à différents facteurs : l'humidité du milieu, les cycles de gel-dégel, l'exposition aux sels de déglaçage. Comme dans la plupart des structures en béton armé conventionnel, les dégradations mènent souvent à la corrosion de l'armature d'acier.

Pour contrer le problème récurrent de la corrosion des armatures, de nouveaux matériaux sont apparus sur le marché dans les dernières décennies : les polymères renforcés de fibres (PRF). Ces matériaux comportent plusieurs avantages dont la résistance à la corrosion, la légèreté et la neutralité électrique.

Dans le cadre du projet, une modélisation par éléments finis et des essais expérimentaux sur des chambres typiques (chambre de type #3 d'Hydro-Québec) renforcées de PRF et d'acier conventionnel sont effectués. Les deux cas de chargement les plus critiques sont étudiés, soit la charge de trafic ponctuel sur le dessus et le tirage des câbles à l'intérieur.

L'objectif général du projet est de valider l'existence d'un effet d'échelle liant temps d'initiation de la corrosion à la taille des éléments en béton armé.

Dix-huit poutres ont été fabriquées avec les mêmes caractéristiques, soit la même section transversale, le même gâchage de béton, le même lot d'acier, la même épaisseur de béton de recouvrement et les mêmes conditions de cure. Le seul facteur qui diffère entre les poutres est la longueur. Six poutres ont été construites avec une longueur de 0,60 m, six de 1,80 m et six de 3,00 m. Les éléments ont été exposés à un environnement salin (3% de NaCl) avec cycles de mouillage de 2,5 jours et de séchage de 4,5 jours. De plus, l'influence des conditions d'exposition, telles que la précipitation de la solution saline, la température et l'humidité relative sur la corrosion des poutres a été évaluée.

Il a été confirmé que la taille des éléments en béton armé a une influence sur le temps d'initiation de la corrosion. Ce dernier diminue lorsque la taille de l'élément augmente. Cette étude a fourni une piste qui va permettre aux chercheurs d'évaluer la possibilité d'inclure la taille comme un nouveau facteur au sujet de la prédiction de la durabilité des structures en béton armé. La quantité critique des ions chlorure totaux nécessaire pour initier la corrosion a été aussi déterminée grâce à STADIUM®.

Les barres d'armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont de nouveaux produits commerciaux qui pourraient offrir beaucoup de solutions aux réseaux de transports et d'infrastructures. La non-corrodabilité des barres de PRFV fait d'elles un bon candidat pour remplacer les barres d'armatures conventionnelles en acier dans les dalles de chaussées en béton armé continu (BAC). Ce potentiel a encouragé le ministère des Transports du Québec (MTQ), conjointement avec l'Université de Sherbrooke à examiner dès septembre 2006, dans le cadre d'un projet de recherche, l'utilisation des barres en PRFV dans les chaussées en béton armé continu (BAC). L'étude du comportement des chaussées en BAC avec des barres de PRFV s'est faite sur des tronçons conçus sur l'autoroute 40 Est, à Montréal jusqu'en août 2012. Une nouvelle section d'essais de 300 m en BAC avec PRFV a été construite sur l'autoroute 40 entre St-Charles et le pont de l'Île aux Tourtes durant l'été 2013.Différents instruments de mesure dont des fibres optiques et des thermocouples y sont installés. Les premiers résultats sont concluants et une modélisation par éléments finis permettra de comparer les résultats obtenus avec ceux du modèle numérique. Ce projet de recherche permettra d'optimiser le design en vue d'une utilisation généralisée de l'armature en matériaux composites de PRFV pour les dalles en béton armé continu au Québec.