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

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.