206 - Conception et gestion des ouvrages et des infrastructures en béton des villes de demain

La mission du CRIB est d'innover scientifiquement et technologiquement pour le développement d'ouvrages et d'infrastructures en béton performants, durables et multifonctionnels, à empreintes écologique et énergétique minimale tout en visant un ratio performance/investissement maximum.

La vision stratégique est d'appliquer ces avancées scientifiques et technologiques pour contribuer significativement au développement de notre société en regard des six enjeux de la mission du CRIB: 1-Les villes de demain; 2-Les infrastructures en béton intelligentes; 3-Le développement d'écobétons à faible impact environnemental; 4-Les approches de conception-construction novatrices et intégrées; 5-L'adaptation de la construction civile aux changements climatiques; 6-La gestion et stabilisation durable des remblais et des rejets industriels et miniers.

Le CRIB poursuivra sa contribution essentielle à la formation transdisciplinaire de spécialistes hautement qualifiés en mesure de faire face aux nouveaux enjeux technologiques, économiques et environnementaux de l'industrie québécoise de la construction.

Cette étude expérimentale présente les solutions possibles de recyclage des polymères renforcés de fibres (PRF) dans le béton comme un remplacement partiel du ciment et des agrégats. L’analyse XRD et XRF caractérise le matériau comme amorphe avec une teneur non-organique d’environ 64% contenant 55% de SiO₂. 3 séries de mélanges de béton sont proposées et les essais en compression et en flexion à 28 jours sont faits. Les résultats ont démontré la réduction de la résistance à la compression pour la poudre et les agrégats de 67% pour 30% de poudre et 62% pour 100% des agrégats et la réduction de 17 et 57% en flexion respectivement. L’ajout des fibres donne une réduction jusqu’à 4% en compression pour 1,25% de fibre ajoute et augmentation jusqu’à 15% en flexion pour 1,25% de fibres. Puis les corrections des mélanges sont faites (enlèvement de bois et amélioration des mélanges) et les essais en compression et en flexion a 28 jours sont répètées pour les nouveaux mélanges avec 0,75% de fibres, 10% de poudre et 33% des agrégats, puis après 90 jours en compression pour 10% de poudre. La résistance en compression diminue à 2% pour les fibres et augmente à 10% en flexion et diminue à 19% en compression pour les agrégats. Le mélange avec 10% de poudre a démontré la résistance en compression de 84% après 28 jours et 99% après 90 jours comparé à la résistance de mélange de contrôle. Pour résumer, l’étude démontre le bon potentiel pour le recyclage de ce matériel dans le béton.

Malgré la contribution majeure des industries forestière et minière à l'essor économique du Québec, ces deux industries génèrent également de grandes quantités de déchets sous forme liquide et solide. Ces déchets industriels peuvent parfois présenter potentiellement des effets néfastes sur l’environnement, dépendant de l’adéquation de leur mode d’entreposage. Il est bien connu que les fibres végétales peuvent être utilisées dans des composites cimentaires tels que les panneaux de bois composites ayant des propriétés physico-chimiques, mécaniques et microstructurales améliorées. Quant aux résidus miniers générés lors du traitement du minerai, jusqu’à 50% peuvent être retournés sous terre sous forme de remblai cimenté (mélange des résidus, d’eau et de ciment jouant le rôle d’agent liant) destinés au comblement des vides des mines souterraines. Ce remblai devra alors jouer un rôle structural de support secondaire des terrains instables. L’objectif de cette recherche est d’évaluer comment réduire les volumes de matières résiduelles du bois en les combinant avec les résidus miniers pour la fabrication d’un composite cimentaire qui serait du remblai en pâte cimenté incorporant des fibres de bois. Les résultats montrent que les meilleures formulations apportant entre 38% et 43% de gain en résistance mécanique par rapport aux échantillons témoins sans fibres sont obtenues avec 3% et 5% d’un ciment au laitier mélangé avec 10% de boues papetières ou d’écorces broyées (taille de 1 mm).

L'impact environnemental des structures en béton est fréquemment étudié, et tout particulièrement son empreinte carbone. Cependant, peu d'attention est accordée à l'absorption du CO2 par les structures en béton, aussi appelée carbonatation, dans les empreintes carbones.

Cette recherche vise à étudier le bilan carbone du béton récemment produit au Québec, en comparant les émissions de CO2 émises lors de la fabrication à l'absorption totale de carbone due à la carbonatation tout au long du cycle de vie du béton, incluant son utilisation primaire et son utilisation ultérieure (secondaire) comme agrégat recyclé. Cette étude est réalisée grâce à une analyse dynamique du cycle de vie, en tenant compte des différents effets qu'une absorption de CO2 peut avoir aujourd'hui et à l'avenir, lorsque le béton est appelé à être broyé et recyclé. Les résultats préliminaires indiquent que, si tous les éléments en béton construits en 2018 devaient durer 50 ans, puis être broyés et enfouis pour 50 ans de plus, le béton aurait en 100 ans neutralisé 6% des émissions de CO2 qu'il émet lors de sa fabrication. La compensation sera plus que doublée (13%) si le Plan d'action 2011-2015 de la Politique québécoise de gestion des matières résiduelles entre en vigueur et que 80% du béton est recyclé. Les résultats démontrent ainsi l’intérêt d’inclure la carbonatation dans les études ACV, et d'encourager le recyclage du béton.

Le ministère des Transports du Québec utilise des glissières en béton pour chantier (GBC) pour délimiter les zones de travaux sur l’ensemble du réseau routier. De par leurs déplacements fréquents, les GBC subissent régulièrement des impacts à basse vitesse, soit de la part des véhicules de manutention au niveau des zones de levage ou encore dû à des impacts avec les autres GBC ou le sol lors de leur connexion avec les GBC adjacentes. Dans ce contexte d’utilisation, les GBC normalisées en béton ordinaire (BO) présentent des durées de vie très faibles (env. 3-4 ans). Plutôt que d’utiliser des plaques de renforcement en acier coûteuses dans les zones critiques d’endommagement, il a été proposé d’introduire des fibres dans le béton pour mieux contrôler l’initiation et la propagation des fissures et limiter les pertes de béton due aux impacts de manutention. Ce projet de recherche comprenait deux phases. La première consistait à évaluer le gain en flexion et en cisaillement de prismes de bétons renforcés de fibres (BRF) sous chargements quasi-statique et pseudo-dynamique, afin de sélectionner un BRF optimal. La deuxième phase consistait à produire industriellement 50 GBC avec le BRF sélectionné et à suivre leurs performances, par rapport aux GBC en BO, en condition réelle d’utilisation. Cette présentation inclura les résultats des essais de flexion et de cisaillement réalisés en laboratoire à l’échelle du matériau ainsi que le suivi d’endommagement des GBC réalisé sur 2 ans.

Cette communication présente l’étude de cas de la passerelle éternelle, une structure en Béton Fibré Ultra-Haute Performance (BFUP), sur la rivière St-Charles à Québec. Conçue par une équipe multidisciplinaire de professeurs-chercheurs en architecture et génie civil, la passerelle émerge d’un processus itératif entre le design urbain, la conception architecturale, la simulation structurale et la fabrication numérique. La stratégie architecturale employée suit une voie écologique et durable, en tentant de minimiser l’utilisation de matière tout en obtenant une structure résistante pour franchir la portée de près de 50m. Partant d’une forme d’arche extrudé, inspiration des ponts couverts, une série d’ouvertures sont intégrées par modification topologique de la structure dans un modèle 3d paramétrique, répondant à la fois aux critères architecturaux et structuraux du projet. Les comportements statiques et vibratoires de la passerelle furent analysés à chaque itération (Abaqus) afin d’identifier les zones à renforcer. Une analyse de coût de cycle de vie a aussi été conduite avec l’emphase sur la période de retour de l’investissement initial. Une fois la rétroaction finalisée menant au modèle définitif, la recherche s’oriente vers sa fabrication. Une fois de plus la voie écologique est empruntée, alors que nous développons une méthode de moules en cire réutilisable, capable de produire les formes complexes désirées tout en limitant les déchets de fabrication.

Bien que l’adaptabilité du béton pour une impression 3D présente de nombreux défis, cette nouvelle méthode de construction est de plus en plus utilisée. Elle offre un moyen rapide et rentable pour fabriquer des éléments de géométries complexes et un niveau de personnalisation plus élevé.

Cependant, un des défis majeurs qui freine le développement et l’industrialisation de la technique est l'ingénierie des matériaux. Dans cette étude, il s’agit de développer une classe de matériaux cimentaires à thixotropie adaptée pour répondre aux exigences des impressions 3D, notamment l’extrudabilité, stabilité des formes et une bonne adhérence entre les couches imprimées. Il devient ainsi nécessaire de développer des méthodes d'essai appropriée pour quantifier la cinétique de structuration de ces matériaux, car les essais existants ne sont pas adaptés à cette nouvelle classe de matériaux cimentaires. Ces essais doivent prendre en considération le processus d’impression pour pouvoir adapter les propriétés rhéologiques en fonction des paramètres d’impression, tels que la vitesse d’impression, la hauteur des couches, etc. Dans cette étude, des matériaux cimentaires à structuration adaptée sont développés en optimisant les types et dosages en adjuvants et ajouts minéraux. Une optimisation rigoureuse permet de satisfaire l’extrudabilité des matériaux et la stabilité des couches imprimées. Ces deux propriétés présentent un défi majeur à satisfaire en tenant compte du processus d’impression.

La présentation détaillera le concept général de la biocicatrisation de fissures dans du béton puis, plus précisément, la stratégie et le microorganisme employée par notre équipe. Cette stratégie repose sur l’injection d’une formulation rhéofluidifiante inoculée. Des essais d’injections ont permis de lier une taille de fissure à deux paramètres rhéologiques d’une formulation épaissie. Puis un plan d’expérience à 3 facteurs a été réalisé pour lier ces paramètres rhéologiques à la composition d’une formulation épaissie. Des formulations crées grâce au plan d’expérience ont été mises en contact avec la bactérie pour vérifier leurs biocompatibilités. Pour pouvoir tester ces formulations, nous avons construit une dalle en béton. Il s’agit d’un dispositif expérimental à mi-chemin entre l’essai de laboratoire et la situation réelle.

Dans un second temps un nouvel inoculum a été développé pour améliorer le procédé : un consortium microbiologique. Celui-ci a été comparé à l’ancienne bactérie et donne des résultats intéressants.

La problématique de cette étude concerne la fissuration de tuyaux en béton une fois installés dans le sol. Cette fissuration provient bien souvent d’un compactage trop important du remblai situé au-dessus des tuyaux. Une inspection après un hiver montre que parfois certaines fissures fines se sont refermées sans intervention extérieure. Ce phénomène de colmatage naturel d’une fissure est appelé autocicatrisation du béton. Le premier objectif de ce projet est de quantifier l’autocicatrisation qui se produit dans des tuyaux de béton et de vérifier que ce colmatage naturel permet de réduire les débits sortants et entrants des liquides. Le second objectif est de définir l’ouverture maximale de fissure initiale pour laquelle l’autocicatrisation entraînera l’annulation complète d’un débit d’eau traversant le tuyau. Ces nouvelles connaissances permettront éventuellement de définir un critère de fissuration seuil initiale sous laquelle des réparations ne sont pas nécessaires, car l’autocicatrisation ultérieure annulera tout transfert d’eau majeur. Un dispositif expérimental simple a été développé pour simuler des conditions représentatives de l’autocicatrisation de six tuyaux comportant des fissures dont l’ouverture maximale est comprise entre 200 µm et 1,5 mm. Sous ces conditions, les premiers résultats démontrent qu’une autocicatrisation complète des fissures est atteinte après 10 jours d’exposition à l’eau, et ce même pour les plus grosses fissures de 1 mm et 1,5 mm d’ouverture.