203 - Fabrication et construction

La réaction alcalis-granulats (RAG) fait partie des principaux processus
affectant la durabilité des infrastructures en béton à travers le monde.
Aujourd'hui, la majorité des experts s’entendent pour dire qu'il y a assez
d'approches existantes qui permettent de contrôler efficacement les risques de
RAG dans de nouveaux ouvrages. Toutefois, l n’y a présentement pas de consensus
quant aux méthodes permettant de traiter efficacement un élément structural de
béton affecté. Pour cette raison, de nombreux ingénieurs/chercheurs tentent
actuellement de développer des outils permettant de déterminer l’état actuel et
le potentiel d’expansion/ détérioration future de ces bétons. Dans ce contexte,
Bérubé et coll. (2005) ont développé un outil global de gestion de structures
affectées par la RAG basé sur une série d’essais de laboratoire (surtout le
Stiffness Damage Test (SDT) et le Damage Rating Index (DRI)). Quoique
prometteurs, ces essais possèdent encore plusieurs paramètres dont l’impact
n’est pas encore bien compris, ce qui réduit l’applicabilité de l’outil en
question à une vaste gamme de bétons (e.g. différentes formulations, variétés
de granulats, etc.). Ce projet présente une évaluation critique des différents
paramètres des deux principaux essais proposés par Bérubé et coll. (2005). Les
résultats montrent que les deux essais possèdent du potentiel pour bien caractériser
l’endommagement des bétons atteints de RAG.

Le Ministère des Transports du Québec détient des structures en béton de type dalle épaisse coulée en place et plusieurs de ces structures sans armatures de cisaillement présentent des indices d’endommagement associés à la réaction alcalis-silice (RAS) (fissuration, perte de résistance en traction). Ce projet vise à évaluer l’évolution dans le temps de la capacité portante de ces infrastructures lorsqu’affectées par la RAS. Les objectifs de mon projet de maîtrise sont donc d’examiner l’évolution de l’état d’endommagement de sections de dalles épaisses soumises à des essais expérimentaux réalisés en laboratoire. Ainsi, 3 séries de 4 dalles épaisses seront confectionnés et conditionnées jusqu’à l’atteinte de différents niveaux d’expansion (entre 0,07 et 0,25%). Les dalles seront alors soumises à des essais de cisaillements (autre étudiant à la maîtrise) et un programme d’échantillonnage (carottage). La caractérisation de l’endommagement sera réalisée à l’aide des essais suivants : résistance à la compression, résistance en traction, Stiffness Damage Test et Damage Rating Index, et ce avant et après les essais structuraux (cisaillement). Ces travaux permettront d’obtenir une image complète de l’état des poutres et, éventuellement, de faire le lien entre l’endommagement physique/mécanique d’un élément armé et son comportement structural.

L’Amérique du Nord est confrontée à un problème d’envergure : la détérioration des ouvrages en béton. Elle résulte de divers phénomènes tels que la corrosion des armatures, les effets du gel-dégel et l’alcali-réaction. Ce dernier engendre le gonflement, la fissuration et réduit la durée de vie du béton affecté. Elle conduit également à des problèmes de gestion, d’entretien et de réhabilitation, à la fois d’un point de vue technique et financier. Il est alors nécessaire d’appréhender ce problème, non seulement en optimisant la conception de nouvelles infrastructures en béton, mais aussi en améliorant l’entretien et la sécurité des ouvrages déjà existants. L’objectif de ce projet de maitrise est de faire le point sur l’efficacité des mesures d’atténuation de l’endommagement du béton affecté par l’alcali-réaction, en poursuivant la maintenance de travaux de traitement entrepris sur des structures dégradées canadiennes et américaines, tout en faisant un post mortem sur les traitements apportés sur certains éléments de béton affectés de RAG par le passé. Le schéma en pièce jointe illustre la méthodologie élaborée afin de rencontrer l’objectif global du projet. À l’échéance du travail de recherche, les informations issues de la littérature, les observations de terrain et les résultats obtenus en laboratoire seront compilés et analysés afin d’émettre des recommandations sur les meilleures approches de réfection des structures atteintes par la RAS.

La réaction alcalis-silice (RAS) est un problème bien connu au Québec en raison de la silice réactive présente dans plusieurs types de granulats. Cette réaction chimique créée un produit de réaction qui engendre une pression de gonflement qui ultimement cause la fissuration du béton. Lorsqu’elles surviennent, ces fissures sont présentes partout dans la masse de béton et sont une source majeure d’endommagement. Or, comme des ancrages chimiques sont installés dans des masses de béton, il est possible que cette fissuration altère leur performance négativement. Dans l’objectif d’évaluer cet impact, douze blocs ont été fabriqués avec des granulats réactifs et des ancrages chimiques ont été installés et arrachés à différents niveaux d’expansion. Les cônes d’arrachement ont été caractérisés et des essais supplémentaires pour évaluer l’endommagement des blocs ont été effectués sur des carottes. Les résultats préliminaires suggèrent qu’il n’y aurait pas de lien direct entre l’expansion du béton et la résistance à l’arrachement et les caractéristiques des cônes d’arrachement, et ce même si le niveau d’endommagement du béton augmente avec l’expansion.

Dans la région de Trois-Rivières, de nombreuses résidences ont été construites sur une fondation de béton incorporant des granulats riches en sulfure de fer, notamment de la pyrrhotite et de la pyrite. De nombreux échantillons ont été prélevés au sein de fondations montrant différents degrés d’endommagement afin de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes en cause. Plusieurs types d’essais ont ainsi été effectués sur ces échantillons, tant sur le terrain qu’en laboratoire.

Le suivi de l’expansion et du développement de la fissuration de blocs prélevés au sein des fondations résidentielles a permis de démontrer le potentiel résiduel d’endommagement du béton lorsque soumis aux conditions environnementales naturelles. De plus, les résultats préliminaires de travaux effectués en laboratoire suggèrent que le Stiffness Damage Test a le potentiel de quantifier l’état d’endommagement des bétons détériorés fabriqués avec des granulats incorporant des sulfures de fer. Finalement, des analyses chimiques de la teneur en soufre du gros granulat mesurées sur plusieurs échantillons de la même fondation ont permis de montrer la variabilité entre les mesures.

Dans la région de Trois-Rivières
(Québec), plus de 1000 propriétaires ont fait face à d’importants problèmes de
durabilité de leurs fondations et dalles de béton. L’endommagement du béton est
tel que les structures affectées doivent dans bien des cas être remplacées.

Dans tous les
cas de détérioration, la pierre utilisée comme gros granulat est une roche
ignée intrusive riche en sulfures de fer, essentiellement la pyrite et la
pyrrhotite. Les signes d’endommagement
du béton laissent penser à
un cas de détérioration dû à l'oxydation des sulfures de fer suivie par une
attaque par des sulfates interne.

Face à la problématique abordée, le présent projet vise globalement à
comprendre les mécanismes responsables de l’endommagement du béton incorporant
des granulats riches en sulfures de fer.

En raison de l'absence de tests et de normes capables de prédire le
comportement de ce type de roche lorsqu'il est utilisé comme granulat, le
développement d’un programme global d'évaluation des granulats à béton face à
la problématique des sulfures de fer (incluant un essai de performance ou
d'expansion) capable de reproduire en laboratoire les mécanismes responsables
de la détérioration du béton, et permettant d'établir si certains granulats
peuvent causer des problèmes, sera réalisé.

Face aux
résultats obtenus lors de ces tests, des recommandations seront produites pour
incorporer une limitation en sulfures dans la norme CSA A23.1/A23.2 et /ou dans
la norme NQ 2621-900 du BNQ.

Introduction: Les substituts utilisés lors des remplacements de valves aortiques sont habituellement des valves mécaniques ou biosynthétiques qui ne peuvent se remodeler en fonction de leur environnement. Une nouvelle valve, créée par génie tissulaire, qui reproduirait les propriétés des valves natives et qui pourrait se régénérer permettrait de diminuer les complications associées aux substituts actuellement utilisés.

Approche utilisée: Des fibroblastes dermiques ont été cultivés dans un milieu de culture enrichi en acide ascorbique afin de créer des feuillets cellulaires pouvant être manipulés. Les feuillets ont ensuite été empilés en suivant la technique d’auto-assemblage développée par le LOEX. Les feuillets fusionnés ont été réorganisés en une structure tridimensionnelle à l’aide d’un gabarit conçu sur mesure.

Résultats: La structure tridimensionnelle de la valve reconstruite est similaire à celle d’une valve native. On y distingue la forme caractéristique des trois feuillets qui forment la valve aortique. L’analyse histologique confirme la fusion des feuillets, présente une matrice extracellulaire dense et une répartition de cellules uniforme. Le second prototype obtenu présente plusieurs améliorations par rapport à sa version précédente.

Conclusion: Il a été possible de reproduire une structure tridimensionnelle complexe similaire à celle d’une valve aortique à l’aide d’un matériau plan. La nouvelle technique de construction par auto-assemblage semble donc prometteuse.

L’utilisation du béton projeté dans le domaine des réparations d'ouvrages urbains et souterrains a pratiquement explosé au cours des dernières années. Dans ce domaine la poursuite du développement des connaissances est grandement conditionnée par la maîtrise du processus de mise en place du matériau en terme de réduction du rebond et d’amélioration des propriétés en place. Dans ce contexte, une approche novatrice reposant sur une caractérisation approfondie des phénomènes de mise en place du béton projeté à l’échelle du jet est présentée. Utilisant entre autres un système d’imagerie haute vitesse, l’étude caractérise pour la première fois le jet de particules à la sortie de la lance. L’influence du type de lance utilisée sur le champ de vitesse du matériau dans le jet est ainsi mise en évidence. ??Dans la continuité, l’impact du jet de béton sur un substrat frais est également analysé et la structure interne du matériau en place décrite par le biais d'une technique d'analyse d'image. La description et l'analyse des mécanismes contrôlant la mise en place du matériau lors de l’impact sont ainsi mis en relief et discutés pour la première fois. Enfin à la lumière de ces travaux, une discussion autour du rôle que joue le type d’équipement et de procédé (voie humide/voie sèche) utilisés sur la qualité finale de la mise en place du béton projeté peut être engagée. ?

Les innovations dans le domaine du béton ont récemment permis la création de nouveaux types de béton aux propriétés étonnantes. Une de ces nouveautés est la création de béton à partir d’un mélange de ciment Portland (OPC), de ciment d’aluminate de calcium (CAC) et de sulfate de calcium (C$). Ces bétons possèdent des résistances en jeune âge très supérieures aux résistances obtenues avec des bétons traditionnels. Cependant, ce type de mélange possède des temps de prises inférieures à 5 minutes les rendant inutilisables lors d’une coulée en chantier. Il est possible de contourner ce problème en utilisant le béton projeté par voie sèche puisque l’eau n’est ajoutée qu’une demi-seconde avant la sortie de la lance et de la mise en place. L’objectif de ce projet de recherche est donc de développer un béton projeté à base d’OPC-CAC-C$. Dans un premier temps, la proportion des liants présentant les meilleures résistances en jeune âge et une stabilité volumique constante (en effet, ces liants peuvent être expansifs!) a été étudiée. Un suivi du gonflement et des résistances en compression a été réalisé sur 50 mélanges de mortier afin d’identifier la meilleure formulation qui a par la suite été projeté. Cette projection grandeur nature a permis la mise en place d’un matériau possédant une résistance de 12 MPa à 1h et 35 MPa à 3h, et qui acquière des résistances finales de 50 MPa en 1 journée, ce qui démontre le succès du projet.

La dégradation des infrastructures routières en béton armé est un sujet préoccupant pour les organismes de gestion des ouvrages. La croissance des charges et du trafic routier combinée à l’exposition d’agents agressifs a mené à un vieillissement accéléré de certaines structures. Ainsi, l’effondrement du viaduc de la Concorde en 2006 à Laval (Québec), constitué en partie de dalles épaisses sans armatures de cisaillement, a mis en évidence la nécessité de mettre en place et de développer des techniques de renforcement en cisaillement adaptées à ce type de structure. L'objectif du projet de recherche est donc de prédire le comportement et le gain de résistance apporté par différentes méthodes de renforcements en cisaillement ainsi que de déterminer une méthode de calcul pouvant être utilisée par les ingénieurs. Le renforcement étudié consiste à introduire dans des ouvertures préalablement forées des barres d’armatures verticales et de les ancrer selon différentes méthodes. Les premiers résultats expérimentaux montrent que le renforcement d’une dalle peut accroître jusqu’à 110% sa résistance en cisaillement. L’outil d’analyse par éléments finis Vector2 permet d’étudier les principaux paramètres influençant le comportement des dalles. Les premiers résultats expérimentaux ainsi que les modèles numériques y étant liés seront présentés.

Les agents réducteurs de retrait (ARR) sont souvent utilisés afin de réduire la contraction dans les matériaux à base de ciment; cette contraction est le résultat de l’enlèvement progressif de l’eau induit par les réactions d’hydratation (auto-dessiccation) et par l’évaporation en surface (séchage). Ces adjuvants, par contre, peuvent interférer avec les réactions d’hydratation du ciment ainsi qu’avec le fonctionnement des autres adjuvants dans le mélange, notamment, les entraîneurs d’air (AEA). Afin de mieux comprendre le mode d’action et l’efficacité des SRA, l’effet d’un SRA commercial et douze composés «modèles» ayant des structures chimiques et des propriétés physico-chimiques variés ont été évalués
dans des mortiers de béton équivalent (MBE) simulant des bétons autoplaçants. Ces MBE ont été préparés avec un superplastifiant, un agent viscosant et un AEA afin d’atteindre les propriétés cibles vis-à-vis la maniabilité, la résistance à la ségrégation et à la teneur en air. Les retraits endogène et de séchage ont été suivis à l’aide d’une corde vibrante placé au sein de l’échantillon.

Les résultats démontrent que le retrait de séchage peut être abaissé en diminuant les forces de dépression au sein des capillaires. Pour être éfficace, un SRA doit réduire la tension de surface, être soluble à l’eau et avoir un HLB approprié. Le retrait endogène, par contre, semble être contrôlé par le degré d’expansion observé au début de l’hydratation.

Les agents viscosants (VMA) sont utilisés dans les bétons et surtout les bétons autoplaçants afin de réduire la ségrégation et le ressuage induits par la grande différence de densité de ses constituants. Cet étude vise à élucider leur mode d'action général ainsi que le fonctionnement spécifique des deux VMA étudiés, soient une gomme de Welan et une hydroxypropylméthyl cellulose (HPMC). Ces VMA ainsi que deux polymères modèles ont été étudiés dans des pâtes de ciment et des pâtes de carbonate de calcium avec et sans la présence de superplastifiant. La fluidité des mélanges à été suivie par des mesures d'étalement et de viscosité et la ségrégation et le ressuage ont été suivis à l'aide de mesures de conductivité en fonction de la hauteur dans l'échantillon.

La Outre, la mode d'action, cette étude a démontrée l'incompatibilté qui peut souvenir entre un VMA et un superplastifiant soit dans le cas des paires Welan-polycarboxylate et HPMC-polynaphtalène sulfonate.

Les résidus de démolition et de réparation des infrastructures routières représentent des millions de tonnes et sont encore très peu revalorisés au Québec. Les restrictions de plus en plus sévères quant à leur enfouissement ont augmenté les tarifs d’élimination, causant un intérêt grandissant pour les granulats obtenus à partir de ressources non traditionnelles.

Ce projet a pour but d’évaluer le potentiel de valorisation de granulats recyclés de démolition dans des bétons de ciment. Les granulats qui sont ciblés par cette étude sont plus spécifiquement les classes de matériaux granulaires MR-1 et MR-2 selon la norme du Ministère des Transports du Québec sur les matériaux recyclés.

L’hypothèse principale de ce projet est qu’il est possible d’obtenir un béton recyclé de résistance moyenne ayant des propriétés mécaniques et une durabilité comparable à un béton produit avec des granulats naturels. Ces propriétés seront évaluées pour des bétons ayant 5 taux de remplacement différents du granulat naturel par un granulat recyclé.

Les résultats préliminaires montrent qu’un taux de remplacement du granulat naturel allant jusqu’à 20% n’affecte pas les propriétés mécaniques du béton. Par contre, pour des taux de remplacement supérieurs, on observe une perte de résistance légèrement plus grande que ce qui est relevé dans la littérature. Ceci est probablement dû à la teneur en enrobé bitumineux présente dans ce matériau granulaire. Les résultats de durabilité seront également présentés.

Après l’eau, le béton est la substance la plus utilisée sur Terre. Environ un 1 m³/habitants de béton est produit à chaque année à l’échelle planétaire. Toutefois, une empreinte environnementale négative est liée à son utilisation. La synthèse du ciment Portland, le liant le plus fréquemment utilisé dans sa fabrication, requière beaucoup d’énergie et génère de grandes quantités de CO2. À elle seule, l’industrie du ciment est responsable d’environ 7% des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Dans un contexte de développement durable, la recherche de nouveaux liants plus respectueux de l’environnement s’impose. Les « géopolymères » s’avèrent une solution de plus en plus intéressante à travers le monde. Ces matériaux se distinguent par une réduction des émissions de CO2, de la demande en énergie et la valorisation des résidus industriels. L’objectif de ce projet de maîtrise se divise en deux volets. Le premier consiste au développement des géopolymères par des essais de performance et de durabilité face à la réaction alcali-granulat. Le deuxième volet comprend l’évaluation de l’efficacité des ajouts cimentaires riches en alcalis pour contrecarrer la réaction alcali-silice, et ce dans des systèmes binaires (ciment + ajouts). Ce projet vise une meilleure compréhension du comportement de nouveaux matériaux agissant comme substituants du ciment Portland et ainsi comprendre les différents effets (positifs/négatifs) pour contrer la détérioration progressive du béton.

Un nouveau modèle mécanique simplifié est développé afin de simuler le mouvement latéral du liquide dans une citerne partiellement remplie. Ce modèle permet d’évaluer les déplacements et les forces de pression critiques ainsi que les fréquences propres du liquide. Quatre formes de citerne ont été abordées dans le but d’obtenir la meilleure représentation d'acquérir des résultats distincts et précis. ??Les résultats obtenus sont ensuite utilisés dans le but de calculer l’épaisseur minimale des parois du réservoir. Après avoir sélectionné certains alliages d’aluminium appropriés à la conception des citernes, les épaisseurs et les poids des parois sont calculés et comparés selon les matériaux et les conditions de conception. Les résultats acquis ont démontré qu’il est possible de diminuer le poids des citernes de différentes formes par l’utilisation de certains alliages d’aluminium sans affecter le comportement dynamique du véhicule.??

Dans l’industrie aéronautique, des pièces nécessitant des tolérances serrées et des caractéristiques mécaniques très élevées sont souvent produites par le procédé de forgeage. Cette méthode de mise en forme permet une utilisation optimale de la matière et produit des pièces de qualité à un coût raisonnable. Grâce aux techniques de la CAE, il est maintenant plus facile de prédire les profils d’écoulement, l’apparition des défauts et l’usure des matrices de forgeage. Cependant, les modèles utilisés dans l’industrie sont simplistes et ne permettent pas de déterminer les propriétés précises de la pièce forgée. Les concepteurs doivent donc être conservateurs, ce qui mène dans plusieurs cas au surdimensionnement des pièces.

Pour simuler le procédé de forgeage, il existe la méthode classique des éléments finis et la méthode particulaire SPH. La méthode des éléments finis (MEF) est la méthode la plus populaire dans la recherche et l’industrie des simulations numériques. Cependant elle présente des limitations en cas de maillages très déformés. Une approche d’analyse sans maillage basée sur la méthode SPH, plus récente, offre une grande aptitude à suivre les très grandes déformations de surface de la pièce, à intégrer l’histoire du matériau dans chaque particule et à interagir avec des matrices à géométrie complexe et donne des résultats plus proches de la physique. Ces deux techniques ont été comparées pour un exemple type de forgeage et les résultats sont présentés.

Les breuvages est un véhicule de choix pour offrir des ingrédients et bioactifs au consommateur. Le développement des breuvages fonctionnels enrichis en protéines et en fibres constitue un défi technologique dû à la précipitation des protéines en milieu acide après chauffage. La stabilité des protéines peut être améliorée par la formation de complexes avec la pectine et/ou l’utilisation d’un traitement d’homogénéisation pour réduire la taille des agrégats. L’objectif était d’étudier l’effet de l’homogénéisation sur la stabilité des protéines ou de complexes protéines/pectine en présence/absence de fibres. La stabilité a été évaluée par observation visuelle. La taille, la charge des particules et la viscosité des solutions ont été mesurées. L’ajout de fibres solubles a augmenté la proportion de précipité pour les systèmes de protéines seules, et n’a pas modifié la stabilité des protéines en présence de pectine. L’ajout de pectine n’a pas permis de stabiliser les protéines, les complexes obtenus avaient une faible charge et une taille élevée que l’homogénéisation n’a pas pu réduire. L’homogénéisation effectuée après le traitement thermique a augmenté la stabilité des protéines seules grâce à une diminution de la taille des particules. L’homogénéisation effectuée avant le traitement thermique n’a pas eu d’effet. L’homogénéisation est un traitement qui pourrait permettre la stabilisation des breuvages enrichis, mais qui nécessite une adaptation au procédé habituel.?

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Les nouveaux gels protéines/polysaccharides formés aux faibles concentrations dues à l’interaction électrostatique entre ces deux types biopolymères présentent beaucoup d'intérêt car ces gels sont obtenus en conditions non dénaturantes. Une bonne compréhension du mécanisme de formation de ces gels est nécessaire pour développer de nouveaux produits alimentaires avec la structure et la texture désirées. Cette étude visait à comprendre le rôle du xanthane et de la ?-lactoglobuline dans la structuration des gels, suivre la cinétique de structuration des gels dans les différentes conditions de ratio, de concentration. Quatre ratios ?lg/X ont été étudiés (ratio 2, 5, 10 et 20) à différentes concentrations. L’évolution structurale des gels est suivie par la rhéologie et la microscopie confocale. La mesure du potentiel Zeta a été réalisée afin d’estimer le ratio optimal. Les résultats indiquent que le xanthane a fourni le patron pour l'organisation des gels. La diminution de l'interaction répulsive entre les chaînes de xanthane et l’augmentation de l'interaction attractive entre la ?-lactoglobuline et le xanthane, lorsque le pH diminue, ont entraîné la formation de complexes solubles suivie de la formation de complexes interpolymères. L’extension de cette association a résulté en la fixation de la structure au point de gel. Le ratio a affecté fortement la cinétique de la gélification due au rôle de réticulation de protéines.?

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