Étude du comportement structural de dalles épaisses
atteintes de la réaction Alcalis-Silice
Mémoire
Sébastien Bilodeau
Maîtrise en génie civil
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
RÉSUMÉ
Durant les années 1950 - 1970, il était assumé que le béton pouvait fournir une résistance adéquate pour assurer le bon comportement structural des dalles en béton armé sous des contraintes de cisaillement. Cependant, l'introduction récente de certains mécanismes, tels que le facteur d'échelle, a soulevé de nouvelles inquiétudes quant à la capacité structurale de ces éléments, plus particulièrement pour les infrastructures en béton armé qui sont vieillissantes et qui sont affectées par la réaction alcalis-silice (RAS). Dans le but d'évaluer ces préoccupations, une étude a été effectuée afin de déterminer la capacité à l’effort tranchant de sections de dalles épaisses en béton armé, sans étrier, et affectées à différents niveaux par la RAS. Un total de huit (8) corps d’épreuve en béton de 610 mm de largeur, 750 mm de hauteur et 4500 mm de longueur, ont été fabriqués et soumis à des conditions permettant le développement de la RAS. Les dalles épaisses présentant différents niveaux d’expansion (0,07, 0,15 et 0,23%) ont été testées structuralement jusqu’à leur rupture. Certaines d’entre elles ont également été soumises à un programme de caractérisation des matériaux afin de définir leurs propriétés mécaniques. Selon les conditions qui prévalaient dans le présent programme de recherche, il semble que la réaction alcalis-silice n’ait pas eu une influence néfaste sur la capacité en cisaillement des dalles testées, et ce, malgré que le matériau ait subi des niveaux d’endommagement parfois très sévère. L’analyse des résultats suggère que quatre (4) paramètres principaux peuvent influencer la résistance ultime à l’effort tranchant. Il s’agit des propriétés mécaniques du béton, de la précontrainte chimique causée par la réaction alcalis-silice (RAS), de l’espacement des fissures de cisaillement ainsi que la taille des particules de granulats.
ABSTRACT
During the 1950’s - 1970’s, it was assumed that concrete could provide adequate strength to ensure good structural behaviour of reinforced concrete slabs under shear stresses. However, new understanding of certain mechanisms, such as scale factors, has raised new concerns about the structural capacity, especially for aging concrete slabs affected by ASR. In order to assess those concerns, a study was carried out to determine the residual shear capacity of thick concrete slabs sections without stirrups, affected by ASR as a function of its development. Eight (8) concrete specimens, 610 x 750 x 4500 mm in size, were manufactured and subjected to conditions enabling ASR development. The thick slabs were tested up to failure at selected ASR expansion levels (0.07, 0.15 and 0.23%). Some of them have also been subjected to a material characterization program to define their mechanical property. According to the conditions prevailing in the present research program, it appears that ASR has not a detrimental influence on the shear capacity of the unreinforced tested slabs, despite the fact that the material has undergone severe damage. Analysis of the results suggests that four (4) main parameters can influence ultimate shear strength. These include the mechanical properties of the concrete, the chemical prestress caused by the alkali-silica reaction (RAS), the shear crack spacing as well as the size of the aggregate particles.
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ... ii
ABSTRACT ... iii
TABLE DES MATIÈRES ... iv
LISTE DES TABLEAUX ... x
LISTE DES FIGURES ... xvii
GLOSSAIRE ... xxxi
REMERCIEMENTS ... xxxiii
AVANT-PROPOS ... xxxiv
Chapitre 1 - CONTEXTE ... 1
Chapitre 2 - OBJECTIFS ET PORTÉE DE LA RECHERCHE ... 3
Chapitre 3 - REVUE DE LA LITTÉRATURE ... 5
3.1 Introduction ... 5
3.2 La réaction alcalis-granulats dans le béton ... 5
3.2.1 Définition de la RAG ... 6
3.2.2 Définition de la RAS ... 6
3.3 Conditions nécessaires au développement de la RAS... 7
3.3.1 Granulats réactifs ... 7
3.3.2 Teneur en hydroxydes alcalins... 8
3.3.3 Teneur en humidité ... 8
3.3.4 Autres facteurs ... 8
3.4 Les effets de la réaction ... 9
3.4.1 Expansion du béton ... 11
3.4.2 Fissuration ... 11
3.4.3 Gel de réaction ... 13
3.4.4 Auréoles de réaction ... 14
3.5 Influence de la RAS sur l’endommagement physique du béton ... 14
3.5.1 Influence de la RAS sur les propriétés mécaniques du béton ... 14
3.5.2 Influence de la RAS sur le béton armé/confiné ... 18
3.6 Évaluation de l’endommagement causée par la RAS ... 21
3.6.1 Résistance à la compression et à la tension du béton ... 21
3.6.2 Stiffness Damage Test (SDT) ... 21
3.6.3 Damage Rating Index (DRI) ... 22
3.7 Études sur le comportement structural de dalles et poutres atteintes de RAS ... 23
3.7.1 Présentation des études ... 23
3.7.2 Récapitulatif ... 31
3.8 Le cisaillement ... 32
3.8.1 Mécanismes de résistance au cisaillement ... 32
3.8.2 Paramètres influençant la résistance au cisaillement ... 36
3.8.3 Méthode de calcul de la norme CAN/CSA S6-14 ... 41
Chapitre 4 - MÉTHODOLOGIE ... 48
4.1 Caractéristique des corps d’épreuve ... 48
4.1.1 Géométrie ... 48
4.1.2 Expansion des dalles ... 49
4.1.3 Nomenclature des dalles... 49
4.1.4 Propriétés des matériaux ... 50
4.2 Conception du ferraillage ... 54
4.3 Coffrage et ferraillage (fabrication et mise en place) ... 55
4.4 Instrumentation des corps d’épreuve ... 56
4.4.1 Plots de surface ... 57
4.4.2 Jauges noyées au béton ... 58
4.4.3 Jauges de déformation pour l’acier ... 59
4.4.4 Jauges à fibre optique (Série 2) ... 61
4.5 Codification de l’instrumentation ... 62
4.5.1 Plots ... 62
4.5.3 Fibre optique ... 65
4.6 Coulées et cure des dalles de béton... 65
4.7 Conditionnement ... 66
4.7.1 Dalles... 66
4.8 Mesures de changement dimensionnel des dalles ... 68
4.9 Programme d’essais ... 69
4.9.1 Programme d’essais structuraux ... 71
4.9.2 Programme d’essais de caractérisation du matériau ... 76
4.9.3 Programme d’auscultation des plans de rupture des dalles ... 79
Chapitre 5 - RÉSULTATS D’EXPANSION ET ÉTAT DES CORPS D’ÉPREUVE ... 81
5.1 Mesures d’expansion des dalles épaisses - Plots ... 81
5.1.1 Critère d’expansion ... 81
5.1.2 Expansion ... 81
5.1.3 Manifestation de l’expansion ... 88
5.2 Mesures d’expansion des dalles épaisses (Fibre optique) ... 90
5.2.1 Série 2 ... 90
5.3 Mesures d’expansion des dalles épaisses (jauges de déformation)... 92
5.3.1 Jauges noyées au béton ... 92
5.3.2 Jauges de déformation fixées aux barres d’armature ... 93
5.4 Comparatif entre les méthodes ... 98
5.4.1 Plots d’expansion et Fibre optique ... 98
5.4.2 Plots d’expansion et jauges de déformation ... 102
5.5 Analyse sommaire des méthodes ... 106
Chapitre 6 - RÉSULTATS MATÉRIAUX ... 108
6.1 Propriétés du béton frais ... 108
6.2 Propriétés mécaniques des corps d’essais ... 109
6.3 Propriétés de l’acier d’armature ... 111
6.4 État général des corps d’épreuves ... 111
7.1 Courbes de chargement ... 112
7.2 Résistance (Vr) des dalles à l’effort tranchant ... 116
7.3 Fissuration des corps d’épreuve ... 118
7.3.1 Patron de fissuration ... 118
7.3.2 Position et angle de fissuration ... 121
7.3.3 Ouverture et glissement des fissures principales de cisaillement ... 122
7.4 Mode de rupture ... 127
7.5 Analyse sommaire des résultats structuraux ... 135
Chapitre 8 - DISCUSSION DES RÉSULTATS... 136
8.1 Caractérisation de l’état d’endommagement du matériau ... 136
8.1.1 Compression... 136
8.1.2 Résistance à la traction ... 136
8.1.3 Module d’élasticité ... 137
8.1.4 Stiffness Damage Test ... 138
8.1.5 Damage Rating Index (DRI) ... 140
8.1.6 État global de l’endommagement ... 143
8.2 Comportement des dalles à la rupture ... 144
8.3 Courbes de chargement ... 146
8.4 Résistance en fonction de l’expansion ... 148
8.5 Calculs de la résistance ultime à l’effort tranchant ... 151
8.5.1 Propriétés mécaniques des corps d’essais ... 151
8.5.2 Résistance théorique des dalles (sans ajustement) ... 152
8.5.3 Positions d’analyses et méthodes de calculs ... 154
8.5.4 Précontrainte chimique ... 156
8.5.5 Analyse des plans de fissuration ... 158
8.5.6 Espacement des fissures ... 170
8.5.7 Résumé des paramètres ... 172
Chapitre 9 - CONTEXTE ET OBJECTIFS ... 182
Chapitre 10 - MÉTHODOLOGIE ... 184
10.1 Spécimens d’essais ... 184
10.1.2 Coffrage ... 186
10.1.3 Armature ... 187
10.1.4 Renforcement externe ... 189
10.1.5 Nomenclature et définition des parties du corps d’épreuve ... 190
10.1.6 Expansion des corps d’épreuve ... 190
10.2 Propriétés des matériaux ... 191
10.2.1 Propriétés de l’acier ... 191
10.2.2 Constituant du béton ... 191
10.2.3 Propriétés du béton ... 191
10.3 Instrumentation des corps d’épreuve ... 192
10.3.1 Plots... 192
10.3.2 Jauge sur le renforcement externe ... 193
10.4 Codification de l’instrumentation ... 193
10.4.1 Plots... 193
10.4.2 Jauges de déformation positionnées sur le renforcement externe ... 194
10.5 Coulée et cure des corps d’épreuve ... 195
10.6 Conditionnement des corps d’épreuve ... 196
10.7 Mesures de changements dimensionnels ... 197
10.8 Programme d’essais structuraux ... 198
10.8.1 Préparation des corps d’épreuve avant les essais ... 199
10.8.2 Préfissuration du plan de cisaillement ... 201
10.8.3 Installation du système de renforcement externe ... 204
10.8.4 Cisaillement direct... 205
Chapitre 11 - RÉSULTATS D’EXPANSION ... 209
Chapitre 12 - RÉSULTATS STRUCTURAUX ... 214
12.1 Résultats structuraux des corps d’épreuve à deux (2) étriers ... 214
12.2 Résultats structuraux des corps d’épreuve à quatre (4) étriers ... 218
12.3 Tableau résumé des essais ... 222
12.4 Résultats structuraux en fonction du niveau d’expansion ... 223
12.5 Analyse sommaire des résultats structuraux (essais de cisaillement direct) ... 225
13.1 Généralités ... 226
13.2 Expansion des corps d’épreuve ... 228
13.3 Endommagement du matériau béton ... 228
13.4 Résultats des essais structuraux ... 230
13.5 Recommandations :... 232
BIBLIOGRAPHIE ... 235
Annexe A FABRICATION DES COFFRAGES ET DES CAGES D’ARMATURE... 242
Annexe B RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT EXPÉRIMENTALE ... 249
Annexe C PROPRIÉTÉS DE L’ACIER D’ARMATURE ... 251
Annexe D ESSAIS STRUCTURAUX ... 253
Annexe E RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT ... 261
Annexe F SYSTÈME DE RENFORCEMENT EXTERNE ... 284
Annexe G INFLUENCE DU SYSTÈME DE RENFORCEMENT EXTERNE À L’AIDE D’ANALYSES PAR ÉLÉMENTS FINIS ... 293
LISTE DES TABLEAUX
TABLEAU 3-1 : MODES DE RUPTURE EN FONCTION DE L'ÉLANCEMENT A/D POUR DES ÉLÉMENTS EN BÉTON ARMÉ. ... 39
TABLEAU 4-1:NIVEAUX D'EXPANSION VISÉS... 49 TABLEAU 4-2 : FACIÈS PÉTROGRAPHIQUES DU GRANULAT DU NOUVEAU-MEXIQUE, AINSI QUE LEURS PHASES POTENTIELLEMENT RÉACTIVES (VILLENEUVE,2011). ... 51
TABLEAU 4-3 : PROPORTIONS DES MÉLANGES DE BÉTON POUR LA 1ÈRE
SÉRIE DE DALLES ÉPAISSES. ... 53
TABLEAU 4-4 : PROPORTIONS DES MÉLANGES DE BÉTON POUR LA 2E SÉRIE DE DALLES ÉPAISSES. ... 54
TABLEAU 4-5:RÉCAPITULATIF DE LA GÉOMÉTRIE DES DALLES... 55 TABLEAU 4-6 : CODIFICATION DES LVDT POUR LES ESSAIS DE LA PREMIÈRE SÉRIE DE DALLES.
... 75 TABLEAU 4-7 : CODIFICATION DES LVDT POUR LES ESSAIS DE LA DEUXIÈME SÉRIE DE DALLES.
... 76 TABLEAU 5-1 :EXPANSION FINALE DES DALLES. ... 82
TABLEAU 5-2 :EXPANSIONS LONGITUDINALES FINALES À DIFFÉRENTES HAUTEURS DES CORPS D’ÉPREUVE (%) ... 88 TABLEAU 5-3 : EXEMPLE DE CALCUL POUR L’AJUSTEMENT DE L’EXPANSION LONGITUDINALE
OBTENUE À PARTIR DES CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE... 101
TABLEAU 5-5 : EXPANSION DES CORPS D’ÉPREUVE AU NIVEAU DES RANGS D’ARMATURE SELON UNE INTERPOLATION RÉALISÉE À PARTIR VALEURS D’EXPANSION LONGITUDINALE ISSUES
DES PLOTS. ... 105
TABLEAU 5-6 : COMPARAISON ENTRE LES VALEURS D’EXPANSION OBTENUES AVEC LES JAUGES SOUDÉES ET LES PLOTS (NIVEAU D’ARMATURE INFÉRIEUR). ... 106
TABLEAU 5-7 : EXPANSION DES BARRES D’ARMATURE (PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE). ... 107
TABLEAU 6-1 : PROPRIÉTÉS DU BÉTON FRAIS DES MÉLANGES DE LA SÉRIE 1. ... 109
TABLEAU 6-2 : PROPRIÉTÉS DU BÉTON FRAIS DES MÉLANGES DE LA SÉRIE 2. ... 109
TABLEAU 6-3 : PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES DALLES UTILISÉES POUR LES CALCULS DE RÉSISTANCE À L’EFFORT TRANCHANT. ... 110
TABLEAU 6-4 : PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'ACIER D’ARMATURE UTILISÉ POUR LA CONFECTION DES DALLES ÉPAISSES. ... 111
TABLEAU 7-1 : RÉSISTANCE À L’EFFORT TRANCHANT EXPÉRIMENTALE ET GAIN DE RÉSISTANCE. ... 117
TABLEAU 7-2 : POSITION ET ANGLE DE RUPTURE POUR LA PHASE DE CHARGEMENT. ... 121
TABLEAU 7-3 : MODE DE RUPTURE DE LA DALLE 1-NR. ... 129
TABLEAU 7-4 :MODE DE RUPTURE DE LA DALLE 1-R1. ... 130
TABLEAU 7-5 : MODE DE RUPTURE DE LA DALLE 1-R3. ... 130
TABLEAU 7-6 : MODE DE RUPTURE DE LA DALLE 2-NR. ... 132
TABLEAU 7-7:MODE DE RUPTURE DE LA DALLE 2-R1. ... 133
TABLEAU 7-8:MODE DE RUPTURE DE LA DALLE 2-R2 ... 134
TABLEAU 8-1:ÉCHELLE D’ENDOMMAGEMENT EN FONCTION DU SDI. ... 139
TABLEAU 8-2 : ÉCHELLE D’ENDOMMAGEMENT DU BÉTON SELON LE DRI, ADAPTÉE DES TRAVAUX DE SANCHEZ (2014) ET FOURNIER ET AL.,(2009). ... 141
TABLEAU 8-3 : RIGIDITÉ INITIALE DES DALLES (MESURÉE ENTRE 0,0 ET 0,5 MM DE FLÈCHE). 148 TABLEAU 8-4 : COEFFICIENT Β DES DIFFÉRENTES DALLES EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION ET À LA FISSURATION. ... 150
TABLEAU 8-5 : PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES DALLES UTILISÉES POUR LES CALCULS DE RÉSISTANCE À L’EFFORT TRANCHANT. ... 152 TABLEAU 8-6 : EXEMPLE DE CALCULS POUR LE RATIO MOYEN DES RÉSISTANCES VEXP/VNORME. 155
TABLEAU 8-7 : DÉFORMATIONS AXIALES DANS LES BARRES D’ARMATURE. ... 156 TABLEAU 8-8 : EFFORTS ENGENDRÉS PAR LA PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 157
TABLEAU 8-9 : TAILLE DES PARTICULES ÉQUIVALENTE EN FONCTION DU POURCENTAGE DE PARTICULES CISAILLÉES. ... 168
TABLEAU 8-10 : EXEMPLE DE CALCULS POUR LA DÉTERMINATION DU AG ÉQUIVALENT... 168
TABLEAU 8-11 : FACTEUR D’ESPACEMENT DES FISSURES (SZ) CALCULÉ POUR LES DIFFÉRENTES DALLES... 172 TABLEAU 8-12 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 2-NR EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION (F'C) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=423 KN). ... 173
TABLEAU 8-13 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 2-NR EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA FISSURATION (FCR) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=423 KN). ... 174
TABLEAU 8-14 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 2-R1 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION (F'C) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=471 KN). ... 174
TABLEAU 8-15 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 2-R1 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA FISSURATION (FCR) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
TABLEAU 8-16 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 2-R2 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION (F'C) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=476 KN). ... 175
TABLEAU 8-17 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 2-R2 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA FISSURATION (FCR) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ) (VEXP=476 KN). ... 175
TABLEAU 8-18 : ANGLE DE FISSURATION EXPÉRIMENTALE ET THÉORIQUE EN DEGRÉS (SELON LA MÉTHODE GÉNÉRALE DE LA NORME). ... 176
TABLEAU 10-1 : PIÈCES COMPOSANT LE RENFORCEMENT EXTERNE... 190
TABLEAU 10-2 : NIVEAUX D'EXPANSION VISÉS POUR LES SPÉCIMENS RÉACTIFS. ... 191
TABLEAU 10-3 : PROPORTION DES MÉLANGES DE BÉTON. ... 192
TABLEAU 10-4:CODIFICATION DES JAUGES DU RENFORCEMENT EXTERNE. ... 195
TABLEAU 10-5 : DATE DES DIFFÉRENTES GÂCHÉES DE BÉTON ET NUMÉRO DES CORPS D’ÉPREUVE. ... 196
TABLEAU 10-6 : CODIFICATION DES LVDT POUR LA PHASE DE PRÉFISSURATION. ... 202
TABLEAU 10-7 : CODIFICATION DES LVDT POUR L’ESSAI DE CISAILLEMENT DIRECT. ... 206
TABLEAU 11-1:EXEMPLE DE CALCUL D’EXPANSION D’UN CORPS D’ÉPREUVE [%]. ... 209
TABLEAU 11-2 : EXPANSION FINALE DES CORPS D'ÉPREUVE ISSUS DES PLOTS DE 65MM DE LONGUEUR. ... 210
TABLEAU 12-1 : RÉSUMÉ DES CONTRAINTES DE CISAILLEMENT POUR LES SPÉCIMENS À 2 ÉTRIERS (A) ET À 4 ÉTRIERS (B). ... 223
TABLEAU E-1 : PROPRIÉTÉS DE LA DALLE 2-R2 POUR LE CALCUL DE RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT SELON LA MÉTHODE GÉNÉRALE. ... 262
TABLEAU E-2 : PROPRIÉTÉS DE LA DALLE 2-R2 POUR LE CALCUL DE RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT SELON LA MÉTHODE DU COMMENTAIRE. ... 265
TABLEAU E-3:RÉSUMÉ DES DIFFÉRENTES ANALYSES... 268
TABLEAU E-4:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MINIMALE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 269
TABLEAU E-5:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 269 TABLEAU E-6:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MAXIMALE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 270
TABLEAU E-7:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA FISSURATION MINIMALE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 270
TABLEAU E-8:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA FISSURATION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 271 TABLEAU E-9:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA FISSURATION MAXIMALE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 271 TABLEAU E-10 :VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE GÉNÉRALE, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 272 TABLEAU E-11 : VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE SIMPLIFIÉE DU COMMENTAIRE DE LA NORME, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 272
TABLEAU E-12 : VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE DU COMMENTAIRE DE LA NORME, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 273
TABLEAU E-13:VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE GÉNÉRALE,RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE AU CENTRE DE LA FISSURE THÉORIQUE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 273
TABLEAU E-14 : VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE SIMPLIFIÉE DU COMMENTAIRE DE LA NORME, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE AU CENTRE DE LA FISSURE THÉORIQUE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE... 274 TABLEAU E-15 : VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS :MÉTHODE DU COMMENTAIRE DE LA NORME, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE AU CENTRE DE LA FISSURE THÉORIQUE ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 274
TABLEAU E-16 :VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE GÉNÉRALE, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MINIMALE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET AVEC PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 275
TABLEAU E-17 :VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE GÉNÉRALE, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET AVEC PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 275 TABLEAU E-18 :VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE GÉNÉRALE, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MAXIMALE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE ET AVEC PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. ... 276 TABLEAU E-19 :VR SELON LES PARAMÈTRES SUIVANTS : MÉTHODE GÉNÉRALE, RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MOYENNE, CALCULÉE À DV DE LA PLAQUE DE CHARGE, AVEC PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE ET UNE GROSSEUR DE GRANULATS ÉQUIVALENT. ... 277 TABLEAU E-20:RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 1-NR EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION (F'C) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
TABLEAU E-21:RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 1-NR EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA FISSURATION (FCR) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=411 KN). ... 278
TABLEAU E-22:RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 1-R1 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION (F'C) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=506 KN). ... 279
TABLEAU E-23:RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 1-R1 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA FISSURATION (FCR) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=506 KN). ... 279
TABLEAU E-24:RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 1-R3 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION (F'C) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=469 KN). ... 280
TABLEAU E-25:RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT [KN] POUR LA DALLE 1-R3 EN FONCTION DE LA RÉSISTANCE À LA FISSURATION (FCR) ET DU FACTEUR D'ESPACEMENT DES FISSURES (SZ)
(VEXP=469 KN). ... 280
LISTE DES FIGURES
FIGURE 3-1 : A)INFLUENCE DE L'HUMIDITÉ SUR LE GONFLEMENT ASSOCIABLE À LA RAS ET B) INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LE SEUIL D’HUMIDITÉ RELATIVE NÉCESSAIRE À ENGENDRER LA RAS. LES POINTS ET LES LETTRES REPRÉSENTENT DES RÉSULTATS REPRIS DE DIFFÉRENTES PUBLICATIONS.(CARLES-GIBERGUES ET HORNAIN,2008). ... 9 FIGURE 3-2 : SECTION DE L’ÉCHANGEUR ROBERT-BOURASSA-CHAREST (DÉMOLI EN 2010)
DÉMONTRANT DIFFÉRENTS SYMPTÔMES COMMUNÉMENT ASSOCIÉS À LA RAS, TELS QUE DE LA FISSURATION (ORIENTÉE DANS LE CAS DES SECTIONS ARMÉES DE COLONNES ET DU TABLIER), DÉCOLORATION AUTOUR DES FISSURES, EXSUDATIONS, ETC. (BÉRUBÉ ET AL., 2005). ... 10
FIGURE 3-3 : FISSURATION SUPERFICIELLE ET EXSUDATS BLANCHÂTRES SUR UN ÉLÉMENT DE BÉTON AFFECTÉ PAR LA RAS(BÉRUBÉ ET AL.,2005). ... 12 FIGURE 3-4 : SCHÉMAS ILLUSTRANT LA MACROFISSURATION (SURFACE) ET LA MICROFISSURATION (PORTION INTERNE) GÉNÉRÉES DANS DES BÉTONS AFFECTÉS PAR LA RAS OÙ LE GRANULAT RÉACTIF SE SITUE DANS LE GRANULAT GROSSIER (A) ET LE GRANULAT FIN (B)(DENNIS PALMER,1992). ... 13
FIGURE 3-5 : DIMINUTION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DU BÉTON SELON L’EXPANSION ATTEINTE (CLAYTON ET AL.,1990). ... 16 FIGURE 3-6 : COURBE CONTRAINTE-DÉFORMATION TYPIQUE OBTENUE LORS D’UN ESSAI DE TRACTION, AVEC SCHÉMA REPRÉSENTANT LES ÉTAPES D’INITIATION ET DE PROPAGATION DE LA MICROFISSURATION.MODIFIÉE DE KARIHALOO ET AL.(1993)... 17 FIGURE 3-7 : MODULE D’ÉLASTICITÉ DE BÉTONS ATTEINTS DE RAS SELON LEUR NIVEAU D’EXPANSION (SMAOUI ET AL.,2004)... 18 FIGURE 3-8 : A) EFFETS DE L’ARMATURE SUR L’EXPANSION DU BÉTON (ISE, 1992) ET B) EFFETS DU CONFINEMENT SUR L’EXPANSION DU BÉTON (SMAOUI ET AL.,2007). ... 19 FIGURE 3-9 : INFLUENCE DU CONFINEMENT (ARMATURE) SUR LA FISSURATION CAUSÉE PAR LA
FIGURE 3-10 : RELATION ENTRE LE NOMBRE DRI ET L’EXPANSION (RIVARD ET BALLIVY,2005). ... 22
FIGURE 3-11 : MÉCANISMES DE RÉSISTANCE À L'EFFORT TRANCHANT (TIRÉ DE WIGHT -2012). ... 33 FIGURE 3-12 : EFFET GOUJON (TIRÉ DE NOGUEIRA -2013)... 34 FIGURE 3-13 : ENGRÈNEMENT DES GRANULATS POUR UN BÉTON STANDARD (A) AINSI QUE POUR UN BÉTON HAUTE PERFORMANCE (B) (TIRÉ ET MODIFIÉ DE INCE, YALCIN, ET ARSLAN,2007). ... 36
FIGURE 3-14 : DIFFÉRENTS TYPES D’ANCRAGE POUR LES ÉTRIERS. ... 36 FIGURE 3-15 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT ET À LA FLEXION EN FONCTION DE LA PORTÉE DE CISAILLEMENT (MASSICOTTE,2013). ... 38 FIGURE 3-16 : CONTRAINTE DE CISAILLEMENT UNITAIRE EN FONCTION DE LA HAUTEUR EFFECTIVE (COLLINS ET KUCHMA,1999). ... 40 FIGURE 3-17 : CONTRAINTE DE CISAILLEMENT UNITAIRE EN FONCTION DE LA HAUTEUR EFFECTIVE POUR DIFFÉRENTES CONFIGURATIONS D’ARMATURE (COLLINS ET KUCHMA, 1999) ... 41 FIGURE 3-18 : FACTEUR D’ESPACEMENT DES FISSURES SZ POUR UN RENFORCEMENT LONGITUDINAL AVEC (A) ET SANS (B) ARMATURE POUR LE CONTRÔLE DE LA FISSURATION (RAHAL ET COLLINS,1999). ... 44
FIGURE 3-19 : PROCÉDURE DE CALCULS PLUS PRÉCISE POUR LE CALCUL DE ΕX (EXTRAIT DU
COMMENTAIRE DE LA NORME CAN/CSAS6-14). ... 45
FIGURE 4-1:NOMENCLATURE DES DALLES. ... 49
FIGURE 4-2 : CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES TYPIQUES D'UNE DALLE. ... 55
FIGURE 4-3 : COFFRAGE TYPIQUE UTILISÉ POUR LA FABRICATION DES DALLES (TIRÉ DE PISSOT, 2015). ... 56
FIGURE 4-5 :EXTENSOMÈTRES DE 500 ET 250 MM. ... 58 FIGURE 4-6:JAUGE KYOWAKM-120-120-H2-11W1M3(CATALOGUE KYOWA) ... 58
FIGURE 4-7 : JAUGES NOYÉES ET ANCRAGES POUR LES PLOTS DANS LES PAROIS DU COFFRAGE (COFFRAGE DE LA SÉRIE NO.1)(TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 59 FIGURE 4-8 : INSTALLATION D'UNE JAUGE SOUDÉE (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 60 FIGURE 4-9 : CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE SUR LE DESSUS DES DALLES... 61
FIGURE 4-10 : POSITIONNEMENT TYPIQUE DES FIBRES OPTIQUES SUR UNE DALLE (VUE EN PLAN). ... 61
FIGURE 4-11 : POSITIONNEMENT ET CODIFICATION DES PLOTS DE LA PREMIÈRE SÉRIE DE DALLES... 62
FIGURE 4-12 : POSITIONNEMENT ET CODIFICATION DES PLOTS DE LA DEUXIÈME SÉRIE DE DALLES... 63
FIGURE 4-13 : POSITIONNEMENT TYPIQUE DES JAUGES NOYÉES AU BÉTON. ... 64 FIGURE 4-14:POSITIONNEMENT DES JAUGES COLLÉES ET SOUDÉES AUX BARRES D’ARMATURE.
... 64 FIGURE 4-15:COULÉE D'UNE DALLE DE LA DEUXIÈME SÉRIE (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 65 FIGURE 4-16 : INSTALLATION D'UNE DALLE DANS LA CHAMBRE À TEMPÉRATURE CONTRÔLÉE (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 67 FIGURE 4-17 : CYLINDRE EN PVC (CALIBRE DR-18) POUR LE SUPPORT DES DALLES (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 67 FIGURE 4-18 : SYSTÈME DE TOILES VU DE L'EXTÉRIEUR (A) ET DE L'INTÉRIEUR (B) (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 68
FIGURE 4-19 : PRISE DE MESURE DE CHANGEMENTS DIMENSIONNELS SUR LA FACE LATÉRALE D’UNE DALLE (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 69 FIGURE 4-20 : ORGANIGRAMME DES TRAVAUX ET ESSAIS RÉALISÉS SUR LES DALLES. ... 70
FIGURE 4-21 : INSTALLATION DE LA DALLE SUR LES APPUIS (A) AVEC APPLICATION DE RÉSINE ÉPOXYDIQUE SUR LES APPUIS SIMPLES SUR ROULEAUX (B) ET FIXE EN DÉPLACEMENT (C), AINSI QU’AU NIVEAU DE LA PLAQUE DE CHARGEMENT (D)(TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 72 FIGURE 4-22 : MESURE DE LA FLÈCHE À L'AIDE DE LVDT (A) FIXÉS SUR DES RAILS (B), EUX -MÊMES FIXÉS AU NIVEAU DES APPUIS (TIRÉ DE PISSOT,2015)... 73 FIGURE 4-23 : LVDT POUR LA MESURE DE L’OUVERTURE ET DU GLISSEMENT DE LA FISSURE CRITIQUE. ... 74 FIGURE 4-24 : POSITIONNEMENT DES LVDT SUR LA FACE LATÉRALE D’UNE DALLE SOUMISE À UN ESSAI (SÉRIE 1). ... 75 FIGURE 4-25 : POSITIONNEMENT DES LVDT SUR LA FACE LATÉRALE D’UNE DALLE SOUMISE À UN ESSAI (SÉRIE 2). ... 76 FIGURE 4-26 : PLAN DE CAROTTAGE DES DALLES RÉSERVÉES AUX ESSAIS MATÉRIAU. ... 78 FIGURE 4-27 : PLAN DE RUPTURE EN CISAILLEMENT POUR LA CARACTÉRISATION DU DEGRÉ DE FRACTURATION DES PARTICULES DE GRANULATS (EFFET D’ENGRÈNEMENT) (TIRÉ DE PISSOT,2015). ... 79 FIGURE 5-1:HAUTEUR DE MESURE DES EXPANSIONS LONGITUDINALES AU CENTRE DES CORPS D’ÉPREUVE. ... 83 FIGURE 5-2:EXPANSION LONGITUDINALE À DIFFÉRENTES HAUTEURS AU CENTRE DE LA DALLE
1-NR. ... 83
FIGURE 5-3:EXPANSION LONGITUDINALE À DIFFÉRENTES HAUTEURS AU CENTRE DE LA DALLE 1-R1. ... 84 FIGURE 5-4:EXPANSION LONGITUDINALE À DIFFÉRENTES HAUTEURS AU CENTRE DE LA DALLE 1-R2. ... 84
FIGURE 5-5:EXPANSION LONGITUDINALE À DIFFÉRENTES HAUTEURS AU CENTRE DE LA DALLE 1-R3. ... 85
FIGURE 5-6:EXPANSION LONGITUDINALE MOYENNE À DIFFÉRENTES HAUTEURS POUR LA DALLE 2-NR. ... 85
FIGURE 5-7:EXPANSION LONGITUDINALE MOYENNE À DIFFÉRENTES HAUTEURS POUR LA DALLE 2-R1. ... 86
FIGURE 5-8:EXPANSION LONGITUDINALE MOYENNE À DIFFÉRENTES HAUTEURS POUR LA DALLE 2-R2. ... 86 FIGURE 5-9:EXPANSION LONGITUDINALE MOYENNE À DIFFÉRENTES HAUTEURS POUR LA DALLE 2-R3. ... 87
FIGURE 5-10 : REPRÉSENTATION DE L’EXPANSION CAUSÉE PAR LA RAS. ... 88 FIGURE 5-11 : FISSURATION TRACÉE ET MESURÉE SUR LA FACE SUPÉRIEURE DE LA DALLE
2-R3. ... 89 FIGURE 5-12 : FISSURATION TRACÉE SUR LA FACE DE CÔTÉ DE LA DALLE 2-R3. ... 89 FIGURE 5-13 : DÉFORMATION (MM) LONGITUDINALE MESURÉE À L’AIDE DES CAPTEURS À FIBRE
OPTIQUE [MM] INSTALLÉS SUR LA FACE SUPÉRIEURE DES DALLES DE LA 2IÈME
SÉRIE. ... 90
FIGURE 5-14 : DÉFORMATION (MM) TRANSVERSALE MESURÉE À L’AIDE DES CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE [MM] INSTALLÉS SUR LA FACE SUPÉRIEURE DES DALLES DE LA 2IÈME
SÉRIE. ... 91
FIGURE 5-15 : EXPANSION (%) MESURÉE À L'AIDE DES CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE [%] INSTALLÉS SUR LA FACE SUPÉRIEURE DES DALLES DE LA 2IÈME
SÉRIE (AXES C ET G : MESURES TRANSVERSALES; AUTRES COURBES : MESURES LONGITUDINALES). ... 91
FIGURE 5-16 : EXPANSION MESURÉE À L’AIDE DES JAUGES NOYÉES AU BÉTON (N : JAUGE NOYÉE;B : JAUGE DU BAS;H : JAUGE DU HAUT -FIGURE 4-13). ... 92
FIGURE 5-17 : DÉFORMATION D’UNE BARRE D’ARMATURE SITUÉE EN BORDURE (B) DU LIT D’ARMATURE LONGITUDINALE DE LA DALLE 2‐R1 (S : JAUGE SOUDÉE;C : JAUGE COLLÉE; POSITIONS 1 À 6 LE LONG DE LA BARRE –FIGURE 4-14). ... 94 FIGURE 5-18 : DÉFORMATION D’UNE BARRE D’ARMATURE SITUÉE AU CENTRE (C) DU LIT
D’ARMATURE LONGITUDINALE DE LA DALLE 2‐R1 (S : JAUGE SOUDÉE;C : JAUGE COLLÉE; POSITIONS 1 À 6 LE LONG DE LA BARRE –FIGURE 4-14). ... 94
FIGURE 5-19 : DÉFORMATION D’UNE BARRE D’ARMATURE SITUÉE EN BORDURE (B) DU LIT D’ARMATURE LONGITUDINALE DE LA DALLE 2‐R2 (S : JAUGE SOUDÉE;C : JAUGE COLLÉE; POSITIONS 1 À 6 LE LONG DE LA BARRE –FIGURE 4-14). ... 95 FIGURE 5-20 : DÉFORMATION D’UNE BARRE D’ARMATURE SITUÉE AU CENTRE (C) DU LIT
D’ARMATURE LONGITUDINALE DE LA DALLE 2‐R2 (S : JAUGE SOUDÉE;C : JAUGE COLLÉE; POSITIONS 1 À 6 LE LONG DE LA BARRE –FIGURE 4-14). ... 95 FIGURE 5-21 : COMPARAISON ENTRE L’ENDOMMAGEMENT VISUEL DANS LA SECTION SUPÉRIEURE DE LA DALLE 2-R2 ET AU NIVEAU DES BARRES D’ARMATURE LONGITUDINALE SITUÉES À LA BASE. ... 96 FIGURE 5-22 : GAINES PROTECTRICES POUR LES FILS DE JAUGES DE DÉFORMATIONS COLLÉES (A) ET SOUDÉES (B). ... 97 FIGURE 5-23 : EXPANSION LONGITUDINALE ISSUE DES CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE AINSI QUE DES PLOTS SITUÉS À PROXIMITÉS DE CES CAPTEURS (DALLES SÉRIE 2). ... 98 FIGURE 5-24 : EXPANSION TRANSVERSALE ISSUE DES CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE AINSI QUE DES PLOTS SITUÉS À PROXIMITÉ DE CES CAPTEURS (DALLES SÉRIE 2). ... 99 FIGURE 5-25 : POSITIONNEMENT TYPIQUE DES PLOTS D’EXPANSION ET DE LA FIBRE OPTIQUE SUR LA FACE SUPÉRIEURE D’UNE DALLE.LA DISTANCE ENTRE LES PLOTS EST DE 500 MM DANS LA DIRECTION LONGITUDINALE ET 250 MM DANS LA DIRECTION TRANSVERSALE. .. 100 FIGURE 5-26 : VUE EN COUPE DU SYSTÈME D’ATTACHE POUR LES CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE.
... 102
FIGURE 5-27 : COMPARAISON ENTRE LE POSITIONNEMENT DES PLOTS ET DE BARRES D’ARMATURE. ... 103 FIGURE 5-28 : PROFIL D’EXPANSION MOYENNE MESURÉE À L’AIDE DES PLOTS (DIRECTION
LONGITUDINALE) POUR LA PREMIÈRE SÉRIE DE DALLES. ... 104 FIGURE 5-29 : PROFIL D’EXPANSION MOYENNE MESURÉE À L’AIDE DES PLOTS (DIRECTION LONGITUDINALE) POUR LA SECONDE SÉRIE DE DALLES... 104
FIGURE 7-1 : COURBE DE CHARGEMENT EN FONCTION DE LA FLÈCHE AU CENTRE DE LA PORTÉE POUR LA DALLE 1-NR(0.016%). ... 113
FIGURE 7-2 : COURBE DE CHARGEMENT EN FONCTION DE LA FLÈCHE AU CENTRE DE LA PORTÉE POUR LA DALLE 1-R1(0.078%). ... 114 FIGURE 7-3 : COURBE DE CHARGEMENT EN FONCTION DE LA FLÈCHE AU CENTRE DE LA PORTÉE POUR LA DALLE 1-R3(0.164%). ... 114
FIGURE 7-4 : COURBE DE CHARGEMENT EN FONCTION DE LA FLÈCHE AU CENTRE DE LA PORTÉE POUR LA DALLE 2-NR(0.007%). ... 115
FIGURE 7-5 : COURBE DE CHARGEMENT EN FONCTION DE LA FLÈCHE AU CENTRE DE LA PORTÉE POUR LA DALLE 2-R1(0.224%). ... 115
FIGURE 7-6 : COURBE DE CHARGEMENT EN FONCTION DE LA FLÈCHE AU CENTRE DE LA PORTÉE POUR LA DALLE 2-R2(0.196%). ... 116
FIGURE 7-7 : FISSURATION DE LA DALLE 2-NR LORS DE LA PHASE DE CHARGEMENT. ... 119 FIGURE 7-8 : FISSURATION DE LA DALLE 2-R1 LORS DE LA PHASE DE CHARGEMENT. ... 120
FIGURE 7-9 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU RECHARGEMENT DE LA DALLE 1-NR. ... 123 FIGURE 7-10 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU RECHARGEMENT DE LA DALLE 1-R1. ... 123 FIGURE 7-11 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU CHARGEMENT DE LA DALLE 1-R3. ... 124 FIGURE 7-12 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU CHARGEMENT DE LA DALLE 2-NR. ... 124
FIGURE 7-13 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU RECHARGEMENT DE LA DALLE 2-NR. ... 125 FIGURE 7-14 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU CHARGEMENT DE LA DALLE 2-R1. ... 125
FIGURE 7-15 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU RECHARGEMENT DE LA DALLE 2-R1. ... 126
FIGURE 7-16 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU CHARGEMENT DE LA DALLE 2-R2. ... 126 FIGURE 7-17 : OUVERTURE DES FISSURES INSTRUMENTÉES EN FONCTION DE LA FLÈCHE LORS DU RECHARGEMENT DE LA DALLE 2-R2. ... 127
FIGURE 8-1 : ENDOMMAGEMENT TYPIQUE OBSERVÉ LORS DES ANALYSES PÉTROGRAPHIQUES PAR LA MÉTHODE DU DRI(CARRÉ DE 10 MM X 10 MM). ... 142
FIGURE 8-2 : CHARGEMENT, EN FONCTION DE LA FLÈCHE, POUR LES DALLES DE LA PREMIÈRE SÉRIE. ... 146
FIGURE 8-3 : CHARGEMENT, EN FONCTION DE LA FLÈCHE, POUR LES DALLES DE LA DEUXIÈME SÉRIE. ... 147
FIGURE 8-4 : PARAMÈTRE Β EN FONCTION DU NIVEAU D’EXPANSION. ... 150 FIGURE 8-5 : COMPARATIF ENTRE LES RÉSISTANCES EXPÉRIMENTALES ET THÉORIQUES DES DALLES CALCULÉES SELON LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DU BÉTON... 153 FIGURE 8-6 : RÉSISTANCE EN FONCTION DE LA POSITION ET DE LA MÉTHODE DE CALCULS UTILISÉE (CALCULÉE SELON LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES MOYENNES DU BÉTON EN COMPRESSION). ... 155 FIGURE 8-7 : PRINCIPE UTILISÉ POUR PRENDRE EN COMPTE LA PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE. 157
FIGURE 8-8 : COMPARATIF ENTRE LA RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT CALCULÉE AVEC ET SANS PRÉCONTRAINTE CHIMIQUE (MÉTHODE GÉNÉRALE). ... 158 FIGURE 8-9 : DÉFINITION DE LA HAUTEUR À L'ÉTUDE POUR L'AUSCULTATION DES DALLES. .... 160
FIGURE 8-10 : POURCENTAGE DE PARTICULES CISAILLÉES SELON L'AXE VERTICAL POUR LES PHASES DE CHARGEMENT ET LE RECHARGEMENT. ... 160 FIGURE 8-11 : POURCENTAGE DE PARTICULES CISAILLÉES SELON L'AXE TRANSVERSAL POUR LES PHASES DE CHARGEMENT ET LE RECHARGEMENT. ... 161
FIGURE 8-12 : POURCENTAGE MOYEN DE PARTICULES CISAILLÉES POUR LES DALLES DE LA DEUXIÈME SÉRIE. ... 162
FIGURE 8-13 : POURCENTAGE MOYEN DE PARTICULES CISAILLÉES POUR LES DALLES DE LA PREMIÈRE SÉRIE. ... 162 FIGURE 8-14 : SÉPARATION DES AXES POUR LES ANALYSES DE PLANS DE FISSURATION. ... 164 FIGURE 8-15 : INFLUENCE DE LA POSITION VERTICALE SUR LE CISAILLEMENT DES PARTICULES DU GROS GRANULAT. ... 164 FIGURE 8-16 : INFLUENCE DE LA POSITION TRANSVERSALE SUR LE CISAILLEMENT DES PARTICULES DU GROS GRANULAT. ... 165 FIGURE 8-17 : TYPES DE FISSURATIONS RENCONTRÉS LORS DE L’AUSCULTATION DES PLANS DE RUPTURE. ... 167 FIGURE 8-18 : RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT EN FONCTION DE LA TAILLE DES GRANULATS. 169
FIGURE 8-19 : RELATION MOMENT-DV POUR LES DIFFÉRENTS CORPS D’ÉPREUVE. ... 171 FIGURE 8-20 : PARAMÈTRE Β EN FONCTION DE L'EXPANSION LONGITUDINALE MESURÉE SUR LE DESSUS DES CORPS D'ÉPREUVES. ... 178 FIGURE 8-21 : PARAMÈTRE Β EN FONCTION DE L'EXPANSION LONGITUDINALE MESURÉE À MI
-HAUTEUR DES CORPS D'ÉPREUVES (375 MM). ... 179
FIGURE 8-22 : PARAMÈTRE Β EN FONCTION DES RÉSULTATS DE L’ESSAI SDT(SDI). ... 179 FIGURE 9-1:EXEMPLE DE CISAILLEMENT D'INTERFACE ... 182
FIGURE 10-1 : CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES TYPIQUES DES CORPS D’ÉPREUVE. ... 185 FIGURE 10-2:NOMENCLATURE DES FACES D’UN CORPS D’ÉPREUVE. ... 186 FIGURE 10-3 : COFFRAGE TYPIQUE UTILISÉ POUR LA FABRICATION DES CORPS D’ÉPREUVE.. 187 FIGURE 10-4 : POSITIONNEMENT DU FERRAILLAGE POUR UN CORPS D’ÉPREUVE À 2 ÉTRIERS (A) ET 4 ÉTRIERS (B). ... 188
FIGURE 10-5 : DIMENSIONS DES DIFFÉRENTES BARRES D'ARMATURE DE CALIBRE 10M. ... 188 FIGURE 10-6 : RENFORCEMENT EXTERNE. ... 189
FIGURE 10-7 : NOMENCLATURE DES CORPS D'ÉPREUVE ... 190
FIGURE 10-8 : POSITIONNEMENT ET CODIFICATION DES PLOTS SUR UN CORPS D’ÉPREUVE. . 194 FIGURE 10-9 : POSITIONNEMENT ET CODIFICATION DES JAUGES DU RENFORCEMENT EXTERNE.
... 194
FIGURE 10-10:COULÉE TYPIQUE DES CORPS D’ÉPREUVE. ... 195 FIGURE 10-11 : RÉCIPIENTS UTILISÉS POUR LE CONDITIONNEMENT (A) ET POSITIONNEMENT TYPIQUE DES BLOCS À L’INTÉRIEUR DE CES DERNIERS (B). ... 197 FIGURE 10-12:ORIENTATION DE LA MESURE D'EXPANSION. ... 198
FIGURE 10-13 : PRISE DE MESURES DE CHANGEMENTS DIMENSIONNELS SUR LA FACE LATÉRALE D’UN CORPS D’ÉPREUVE. ... 198 FIGURE 10-14 : MISE À NIVEAU D'UN CORPS D'ÉPREUVE À L'AIDE D’UN NIVEAU ÉLECTRONIQUE
ET D’UN GABARIT SPÉCIALEMENT CONÇU POUR S’INSÉRER DANS L’ENTAILLE TRIANGULAIRE. ... 200 FIGURE 10-15 : CORPS D'ÉPREUVE AVEC LE MORTIER FRAICHEMENT NIVELÉ (A) AINSI QUE COMPLÈTEMENT DURCI (B). ... 201
FIGURE 10-16 : INSTRUMENTATION TYPIQUE AVANT LA PHASE DE PRÉFISSURATION... 202 FIGURE 10-17 :MISE EN PLACE DU CORPS D’ÉPREUVE SUR LA PRESSE MTS-311. ... 203 FIGURE 10-18 : REPRÉSENTATION DU SYSTÈME DE COUTEAUX ET DE LANGUETTES
MÉTALLIQUES POUR LA PHASE DE PRÉFISSURATION. ... 203 FIGURE 10-19:SPÉCIMEN À 4 ÉTRIERS AVEC LE RENFORCEMENT EXTERNE. ... 205
FIGURE 10-20 : POSITIONNEMENT DES LVDT DURANT L’ESSAI DE CISAILLEMENT DIRECT. .... 206 FIGURE 10-21 : SYSTÈME D'APPUI MOBILE POUR L’ESSAI DE CISAILLEMENT DIRECT. ... 207
FIGURE 10-22:PLAQUES D’APPUIS LORS DE L’ESSAI DE CISAILLEMENT DIRECT. ... 208 FIGURE 11-1 : RÉSULTATS D’EXPANSION DES CORPS D’ÉPREUVE DE LA GÂCHÉE #1. ... 211 FIGURE 11-2 : RÉSULTATS D’EXPANSION DES CORPS D’ÉPREUVE DE LA GÂCHÉE #2. ... 211 FIGURE 11-3 : RÉSULTATS D’EXPANSION DES CORPS D’ÉPREUVE DE LA GÂCHÉE #3. ... 212 FIGURE 11-4 : RÉSULTATS D’EXPANSION DES CORPS D’ÉPREUVE DE LA GÂCHÉE #4. ... 212 FIGURE 12-1:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR3-2Ø2(0,009%) ET R3-4Ø2(0,029%). 215 FIGURE 12-2:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR4-1Ø2(0,013%) ET R4-2Ø2(0,050%). 215 FIGURE 12-3:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR3-3Ø2(0,018%) ET R3-3Ø2(0,088%). 216 FIGURE 12-4:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR4-2Ø2 (VOIR LA NOTE CI-DESSOUS) (0,023%) ET R4-1Ø2(0,131%). ... 216 FIGURE 12-5:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR3-1Ø2(0,022%) ET R3-2Ø2(0,139%). 217 FIGURE 12-6:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR3-4Ø2(0,027%) ET R3-1Ø2(0,120%). 218 FIGURE 12-7:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR2-4Ø4 (VOIR LA NOTE) (0,008%) ET R2-4Ø4(0,059%). ... 219
FIGURE 12-8:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR2-2Ø4(0,013%) ET R2-1Ø4(0,049%). 220 FIGURE 12-9:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU
GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR1-1Ø4 (-0,033%) ET R1-2Ø4 (0,049%). ... 220
FIGURE 12-10:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR2-3Ø4(0,004%) ET R2-3Ø4(0,098%). 221 FIGURE 12-11:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU
GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR2-1Ø4(0,017%) ET R2-2Ø4(0,108%). 221 FIGURE 12-12:CONTRAINTE DE CISAILLEMENT ET OUVERTURE DE LA FISSURE EN FONCTION DU GLISSEMENT POUR LES CORPS D’ÉPREUVE NR1-2Ø4(0,017%) ET R1-1Ø4(0,115%). 222 FIGURE 12-13 : CONTRAINTE DE CISAILLEMENT EN FONCTION DU NIVEAU D’EXPANSION DES
CORPS D’ÉPREUVE RÉACTIFS À 2 ÉTRIERS. ... 224 FIGURE 12-14 : CONTRAINTE DE CISAILLEMENT EN FONCTION DU NIVEAU D’EXPANSION DES
CORPS D’ÉPREUVE RÉACTIFS À 4 ÉTRIERS. ... 224
FIGURE A-1:ASSEMBLAGE DES COFFRAGES... 243
FIGURE A-2:JONCTION ENTRE LES PANNEAUX DE COFFRAGES. ... 243 FIGURE A-3:UNIONS DES DIFFÉRENTES SECTIONS DE COFFRAGES. ... 244
FIGURE A-4:CAGES DE BARRES D'ARMATURE. ... 245 FIGURE A-5:GABARITS POUR LE POSITIONNEMENT DES BARRES D'ARMATURE. ... 245 FIGURE A-6:CAGE D’ARMATURE POSITIONNÉE À L’INTÉRIEUR DU COFFRAGE. ... 246 FIGURE A-7:ÉTAPES DE FABRICATION DU BÉTON À L’USINE DE BÉTON SUR MESURE. ... 247 FIGURE A-8:MISE EN PLACE DU BÉTON DANS LES COFFRAGES (A).ESSAIS SUR BÉTON FRAIS (B).FINITION DES DALLES ÉPAISSES (C). ... 248
FIGURE B-1:REPRÉSENTATION DES CHARGES SUR LA DALLE. ... 250
FIGURE C-2:COURBE CONTRAINTE-DÉFORMATION POUR LES BARRES D'ARMATURE 25M. ... 252
FIGURE D-1 : FISSURATION DE LA DALLE 1-NR LORS DE LA PHASE DE CHARGEMENT. LA LÉGENDE DE COULEURS DONNE L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE, I.E. FISSURES PRÉ-TEST (ASSOCIABLES À LA RAS) ET FISSURES ISSUES DU CHARGEMENT. ... 254 FIGURE D-2 : FISSURATION DE LA DALLE 1-R1 LORS DE LA PHASE DE CHARGEMENT. LA LÉGENDE DE COULEURS DONNE L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE, I.E. FISSURES PRÉ-TEST (ASSOCIABLES À LA RAS) ET FISSURES ISSUES DU CHARGEMENT. ... 255 FIGURE D-3 : FISSURATION DE LA DALLE 1-R3 LORS DE LA PHASE DE CHARGEMENT. LA LÉGENDE DE COULEURS DONNE L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE, I.E. FISSURES PRÉ-TEST (ASSOCIABLES À LA RAS) ET FISSURES ISSUES DU CHARGEMENT. ... 256 FIGURE D-4 : FISSURATION DE LA DALLE 2-R2 LORS DE LA PHASE DE CHARGEMENT. LA LÉGENDE DE COULEURS DONNE L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE, I.E. FISSURES PRÉ-TEST (ASSOCIABLES À LA RAS) ET FISSURES ISSUES DU CHARGEMENT. ... 257
FIGURE D-5 :FISSURATION DES DALLES LORS DE LA PHASE DE RECHARGEMENT.LA LÉGENDE DE COULEURS DONNE L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE, I.E. FISSURES PRÉ-TEST (ASSOCIABLES À LA RAS) ET FISSURES ISSUES DU CHARGEMENT. 258 FIGURE D-6 :POSITION ET ANGLE DE FISSURATION POUR LES DALLES DE LA PREMIÈRE SÉRIE.
LA LÉGENDE DE COULEURS POUR L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE EST DISPONIBLE À LA FIGURE D-5. ... 259 FIGURE D-7 :POSITION ET ANGLE DE FISSURATION POUR LES DALLES DE LA DEUXIÈME SÉRIE. LA LÉGENDE DE COULEURS POUR L’OUVERTURE DES FISSURES SUR LES CORPS D’ÉPREUVE EST DISPONIBLE À LA FIGURE D-5. ... 260
FIGURE E-1:RELATION CONTRAINTE-DÉFORMATION DU BÉTON EN COMPRESSION. ... 282 FIGURE E-2:RELATION CONTRAINTE-DÉFORMATION DU BÉTON EN TRACTION. ... 283
FIGURE E-3:RELATION CONTRAINTE-DÉFORMATION DE L'ACIER. ... 283
FIGURE F-1:PLAN DE LA PIÈCE « RENFORCEMENT EXTERNE DOUBLE » ... 285
FIGURE F-2:PLAN DE LA PIÈCE «RENFORCEMENT EXTERNE SIMPLE » ... 286 FIGURE F-3:PLAN DE LA PIÈCE «RENFORCEMENT CENTRAL » ... 287
FIGURE F-4:PLAN DE LA PIÈCE «TIGE FILETÉE AVEC USINAGE » ... 288 FIGURE F-5:PLAN DE LA PIÈCE «COUTEAU SUPÉRIEUR » ... 289
FIGURE F-6:PLAN DE L’ASSEMBLAGE «COUTEAU INFÉRIEUR » ... 290 FIGURE F-7:PLAN DE LA PIÈCE «COUTEAU INFÉRIEUR –BLOC CENTRAL » ... 291 FIGURE F-8:PLAN DE LA PIÈCE «COUTEAU INFÉRIEUR –PLAQUE D’APPUI »... 292
FIGURE G-1 : MODÈLE ET MAILLAGE POUR LES ANALYSES PAR ÉLÉMENTS FINIS DES CORPS D’ÉPREUVE SANS RENFORCEMENT EXTERNE (A) ET AVEC RENFORCEMENT EXTERNE (B). ... 294 FIGURE G-2 : CHEMINEMENT DES CONTRAINTES PRINCIPALES DE COMPRESSION POUR UN CORPS D’ÉPREUVE SANS RENFORCEMENT EXTERNE (A) ET AVEC RENFORCEMENT EXTERNE (B)... 295
GLOSSAIRE
Symbole Unité Définition
𝛽 - Coefficient utilisé pour calculer la résistance au cisaillement du béton fissuré
𝜀𝑐 - Déformation unitaire longitudinale de la section comprimée
𝜀𝑡 - Déformation unitaire longitudinale de la section tendue
𝜀𝑥 - Déformation unitaire longitudinale à mi-hauteur de la section
θ ° 1) Angle d’inclinaison des contraintes principales de compression diagonale par rapport à l’axe longitudinal d’une membrure
2) Angle de la fissuration
𝜙𝑐 - Coefficient de tenue pour le béton
𝜙𝑠 - Coefficient de tenue pour les barres d’armature
a mm Distance entre l’axe d’application de la charge et l’axe central de l’appui
ag mm Grosseur nominale du granulat grossier
as mm² Aire des barres d’armature sollicitées en flexion
av mm² Aire de l’armature transversale
b mm Largeur de la poutre
bv mm Largeur effective de l’âme en cisaillement
d mm Hauteur effective (distance entre le centre de gravité des barres d’armature et la fibre extrême comprimée)
dv mm Profondeur effective
e mm Distance entre le centre de gravité de l’élément en béton et le centre de gravité des câbles de précontrainte
Ec MPa Module d’élasticité du béton
Es MPa Module d’élasticité des barres d’armature
f’c MPa Résistance en compression du béton
fcr MPa Résistance à la fissuration du béton
fy MPa Limite élastique de l’acier
fu MPa Limite ultime de l’acier
Mp N·mm Moment fléchissant dû à la force de précontrainte excentrée
Nf N Charge axiale pondérée normale à la section
P N Charge axiale de précontrainte s mm Espacement des étriers
sz mm Paramètre d’espacement des fissures
sze mm Valeur équivalente de sz tenant compte de la grosseur des granulats
Vc N Résistance au cisaillement procurée par le béton
Vf N Effort pondéré au cisaillement
Vp N Composante dans la direction de la force de cisaillement de toutes les
forces effectives de précontrainte qui traversent la section critique Vr N Résistance pondérée au cisaillement
REMERCIEMENTS
En premier lieu, je souhaite remercier ma directrice de recherche, Madame Josée Bastien ainsi que mon codirecteur, monsieur Benoît Fournier, pour m’avoir permis de travailler sur ce projet d’envergure. Je suis reconnaissant pour le temps qu’ils m’ont accordé, pour leur soutien, ainsi que leurs judicieux conseils qui m’ont permis de mener à bien ce projet. Je voudrais remercier l’ensemble du personnel de recherche du Centre de recherche sur les infrastructures en béton (CRIB) de l’Université Laval, tous les auxiliaires de recherche ainsi que de tous mes collègues et amis étudiants qui ont su être présents pour m’aider, pour répondre à mes interrogations, mais surtout pour me changer les idées le moment opportun. Vous avez rendu cette expérience mémorable.
Je tiens également à adresser des remerciements à mon coéquipier de projet, Anthony Allard, étudiant au doctorat en sciences de la terre, pour son implication, son écoute et ses conseils avisés qui ont été prépondérants pour la réussite de cette maîtrise.
Mes remerciements vont également à la compagnie Béton sur Mesure pour avoir rendu possible la fabrication de ces nombreuses dalles de béton.
En terminant, je ne saurais passer sous silence le support inconditionnel de ma conjointe, Andréanne, de mes parents, Sylvain et Diane, et de ma sœur, Julie, pour m’avoir encouragé sans retenue dans tout ce que j’entreprends dans ma vie.
AVANT-PROPOS
La présente étude a été réalisée à la demande du ministère des Transports du Québec et a été financée par la Direction de l’environnement de la recherche.
L’ampleur de ce projet a nécessité l’implication de plusieurs étudiants du 2e et 3e cycle qui,
sous la supervision des professeurs Josée Bastien et Benoît Fournier, ont su mener à bien ce projet. Parmi ces étudiants, il y a tout d’abord Anthony Allard, étudiant au doctorat en sciences de la terre, qui a porté ses recherches sur l’endommagement du matériau. En second lieu, François Pissot et moi-même, tous deux étudiants à la maîtrise en génie civil, avons travaillé sur l’aspect structural de ce projet de recherche.
Afin de présenter un mémoire complet qui réunit l’ensemble des résultats et des analyses, il a été choisi d’inclure une quantité non négligeable de résultats, d’information et d’analyse qui ont été réalisé par toute l’équipe d’étudiants et de professeurs. Ces informations sont tirées de plusieurs sources telles qu’un rapport sommaire du projet écrit pour le compte du Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports1, le mémoire de François Pissot2 ainsi que la thèse de doctorat d’Anthony Allard3.
1
Allard, A. Bilodeau, S. Pissot, F. Bastien, J. Fournier, B. Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports. (2016). Étude du comportement structural de dalles épaisses atteintes de la réaction Alcalis-Silice
2
Pissot, F. (2015). [Mémoire] Comportement structural de dalles épaisses endommagées par la réaction alcalis-silice. Département de génie civil, Université Laval.
3 Allard, A. (2018). [Thèse]. Contribution à la compréhension de l’effet du confinement sur le développement de la détérioration d’éléments de béton affectés de la réaction alcalis-silice. Département de géologie et de génie géologique, Université Laval.
CHAPITRE 1 - CONTEXTE
4Le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports détient un nombre important de structures en béton armé, dont des structures de type dalle épaisse coulée en place. Ces structures ont en général des portées (L) variant de 6m à 25m et des épaisseurs de l’ordre de L/20 à L/30.
Tout comme l’ensemble des ponts rattaché au Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports, ce type de structures est soumis à des conditions d’exploitation exigeantes. La majeure partie de ces structures ayant été construite dans les années 1950 à 1970, les sollicitations du trafic routier sur ce réseau se font beaucoup plus intenses (en termes de volume de trafic routier tout comme en terme d’intensité des charges routières) que celles prises en compte, de façon normative, au moment de la conception des ouvrages.
Dans le cas particulier des structures en béton armé de type dalle épaisse, il en ressort que certaines de ces structures éprouvent des pathologies liées à des sollicitations jugées excessives en cisaillement. En réaction à ces constats, plusieurs d’entre elles ont été soumises à des activités de renforcement ou simplement démantelées. De plus, plusieurs de ces structures, sans armature de cisaillement, présentent des caractéristiques typiques associées à la réaction alcalis-silice.
La réaction alcalis-silice (RAS) est une réaction nuisible se produisant entre certaines phases siliceuses des particules de granulats et les hydroxydes alcalins présents dans la solution interstitielle du béton qui engendre de la fissuration (due à l’expansion générée par la réaction) et une dégradation prématurée de la structure affectée (Fournier et Bérubé, 2000).
Il est reconnu que les structures affectées par la RAS présentent des résistances en traction nettement inférieures à celles pouvant être généralement prédites à l’aide des
4 Tirée et adapté du devis de recherche sur l’étude du comportement structural de dalles épaisses atteintes de la réaction alcalis-silice réalisé pour le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des transports.
normes (basées sur les résistances en compression) (Smaoui, 2003). Il a également été constaté que cette chute de résistance peut être variable selon l’orientation du carottage prélevé sur une structure (Den Uijl et Kaptijn, 2002). Il est bon de rappeler que la littérature indique également que certaines structures en béton ne souffrant pas de RAS présentent des résistances en traction faibles, ce qui laisse présager que des conditions de vieillissement peuvent être en partie responsables de cette chute de résistance en traction. Il peut donc y avoir combinaison de facteurs aggravants.
Bien que l’influence de la RAS sur les propriétés mécaniques du béton ait été investiguée par le passé (Swamy et Al-Asali, 1988), la littérature fait peu état des conséquences de la RAS sur le comportement structural des structures atteintes. En effet, la conception des structures en béton se base sur le fait que la résistance en traction du béton peut être négligée pour les structures sollicitées en flexion. Toutefois, cette résistance en traction est une composante indispensable lorsque, entre autres, les éléments suivants sont considérés : le cisaillement de membrures sans armature (cisaillement unidirectionnel ou bidirectionnel de type poinçonnement), l’ancrage des barres d’armature ou de précontrainte, l’effet goujon, etc. La résistance en traction du béton est également un élément important pour la conception de pièces précontraintes et pour déterminer l’initiation de la fissuration du béton en relation avec les aspects de la durabilité des structures.
En ce qui concerne la fissuration d’éléments en béton atteint de RAS, il est reconnu que le schéma de fissuration se présente de façon hétérogène et variable selon la localisation sur une structure. Cette fissuration dépend en effet de plusieurs facteurs, dont la géométrie de l’élément, de la disposition de l’armature d’acier (qui limite l’expansion du béton dans la direction parallèle à l’armature) et des conditions d’exposition.
Bien que les structures fortement armées puissent résister à l’expansion engendrée par la RAS, dans le cas de structures faiblement armées, telles les dalles épaisses sans armature de cisaillement, peu d’information est disponible sur leur capacité portante en cisaillement de même que sur l’évolution dans le temps de cette capacité en présence de RAS.
CHAPITRE 2 - OBJECTIFS ET PORTÉE DE LA
RECHERCHE
L’objectif de cette recherche consiste à fournir des éléments d’information susceptibles d’apporter un éclairage nouveau sur la capacité portante en cisaillement de dalles épaisses (sans étriers) atteintes de RAS. Plus spécifiquement, le projet devrait permettre d’établir un lien entre la progression de la RAS, la capacité structurale en cisaillement, les propriétés physiques des matériaux et leur endommagement.
Pour ce faire, deux projets de recherche distincts ont été réalisés. Le premier projet, plus global, porte sur la capacité portante de structures de type dalle épaisse atteinte de réaction alcalis-silice, alors que le second projet, plus spécifique, porte sur la résistance au cisaillement d’interface lorsque le béton est atteint par la RAS (cisaillement direct). Ces deux projets vont permettre d’obtenir une vision plus globale de la résistance au cisaillement, ainsi qu’une vision plus locale des mécanismes d’influence.
Dans le cadre du premier projet, un total de 8 sections de dalle épaisse sans étrier ayant atteint des niveaux d’expansion variable (0,00%; 0,07%; 0,15% et 0,25%), seront soumises à un programme d’essais de chargement (résistance ultime à l’effort tranchant), ainsi qu’à une campagne de caractérisation du matériau béton.
Pour le second projet, trois (3) séries de corps d’épreuve constituées d’éléments non réactifs ainsi que d’éléments réactifs ayant atteint des niveaux d’expansion variable (0,05%, 0,06% à 0,10% et >0,10%), seront soumises à un programme d’essais structuraux. Cela aura pour but de déterminer l’évolution de la résistance au cisaillement d’interface en fonction du développement de la RAS.
Le présent document fait état de tous les essais, analyse et conclusion en lien avec le premier projet ainsi que des essais et conclusions préliminaires en lien avec le second projet. Celui-ci est composé d’un total de treize chapitres. Plus spécifiquement, le premier chapitre présente une mise en contexte alors que le second présente les objectifs et la portée de la recherche.
Le troisième chapitre est composé d’une revue de la littérature associée à la RAS et à certains essais mécaniques sur corps d’épreuve (flexion-cisaillement) réalisés dans des études antérieures.
Le quatrième chapitre au huitième chapitre portent sur le premier projet de recherche, soit l’étude du comportement structural de dalles épaisses atteintes de la réaction alcalis-silice. Ces chapitres contiendront plus spécifiquement de l’information sur la méthodologie, sur les résultats (expansion, matériaux, structuraux) ainsi qu’une discussion sur les résultats. Le chapitre neuf au chapitre douze portent sur le second projet de recherche, soit l’étude portant sur l’évolution de la résistance au cisaillement d’interface en fonction du développement de la RAS. Ces chapitres contiendront plus spécifiquement de l’information sur le contexte et les objectifs, la méthodologie, ainsi que sur les résultats d’expansion et les résultats structuraux.
Le chapitre treize présentera les conclusions globales axées sur le premier projet de recherche, telles que l’expansion des corps d’épreuve, l’endommagement du matériau les résultats des essais structuraux. Le tout terminera avec des recommandations.
CHAPITRE 3 - REVUE DE LA LITTÉRATURE
3.1 Introduction
5Le comportement en cisaillement des éléments structuraux en béton armé (plus particulièrement le calcul de la capacité portante en cisaillement) est un aspect tout aussi important que complexe qu’il est important de maîtriser. Un élément de béton affecté par la réaction alcalis-silice (RAS) verra sa résistance en cisaillement modifiée par le développement de microfissures dans la masse de béton ou encore par le développement d’un phénomène baptisé « précontrainte chimique ». L’ampleur de cet impact est entre autres fonction du niveau de confinement (réseau d’armature) présent au sein de l’élément en question. Un retour sur les connaissances actuelles sur le sujet est nécessaire à la compréhension du comportement des structures étudiées dans le cadre de ce projet.
Dans un premier temps, cette revue de la littérature traite de la réaction alcalis-silice (RAS) en mettant de l’avant les principes fondamentaux de cette réaction telle que les conditions nécessaires à son développement, les effets qu’elle produit au sein d’une structure affectée, ainsi que son impact sur les propriétés mécaniques du béton. Par la suite, la section 3.7 présente diverses recherches qui ont comme point commun l’étude du comportement structural et/ou des propriétés mécaniques d’éléments de type poutre/dalle étant atteinte de RAS. Pour compléter ce chapitre, une partie portant sur le cisaillement d’élément en béton présentera la théorie derrière ces phénomènes. On y discutera, entre autres, des divers mécanismes de résistance au cisaillement, des principaux paramètres d’influence, et enfin de la méthode de calcul de la résistance au cisaillement tel que présenté dans la norme CSA S6-14 (CSA, 2014c).
3.2 La réaction alcalis-granulats dans le béton
6Deux grands types de réaction alcalis-granulats (RAG) sont généralement reconnus; il s’agit de la réaction alcalis-silice (RAS) et de la réaction alcalis-carbonate (RAC). Ces
5
Tiré et adapté du mémoire de François Pissot (2015) 6
réactions nuisibles du béton ont été identifiées pour la première fois dans les années 1940 en Californie (Stanton, 1940). Depuis ce temps, un grand nombre d’infrastructures ont été identifiées comme affectées par ce phénomène, et ce, dans des dizaines de pays à travers le monde. Certaines portions du Canada sont particulièrement touchées par ce problème, entre autres de par la composition des granulats et des ciments qui y sont produits.
Les sections ci-dessous mettent en lumière les différents principes de base de la RAS.
3.2.1 Définition de la RAG
La Réaction Alcalis-granulats (RAG) est une réaction chimique se produisant entre la solution interstitielle du béton (fortement basique et alcaline pH ≥ 13), et certaines phases minérales instables présentes en quantités variables dans les granulats fins et/ou grossiers.
Cette réaction chimique a pour effet d’engendrer le gonflement et la fissuration graduelle du béton, et donc de la structure affectée. L’apparition de ces fissures peut avoir réduire significativement la durée de vie utile de l’ouvrage.
3.2.2 Définition de la RAS
La réaction alcalis-silice se définit comme étant la réaction entre certaines phases siliceuses réactives des granulats et les hydroxydes alcalins présents dans la solution interstitielle du béton. La prise d’expansion, caractéristique principale de cette réaction, se produit à une vitesse variable qui est fonction de nombreux paramètres, mais entre autres, de la variété de silice réactive. C’est pour cette raison qu’il est possible de diviser la RAS en deux groupes. Le premier groupe contient les minéraux siliceux pauvrement cristallisés ou métastables qui, même pour un pourcentage inférieur à 2% dans le béton, peuvent engendrer une prise d’expansion et une fissuration importante dans un délai inférieur à trois (3) ans. Le deuxième groupe est composé des granulats contenant du quartz à grains très fins ou plus grossiers. Ceux-ci peuvent engendrer une prise d’expansion et de la fissuration à plus long terme, qui se développe généralement après 10 à 25 ans (CSA, 2014a).
La RAS se caractérise par la formation d’un gel silico-alcalin résultant de la réaction entre les hydroxydes alcalins et la silice réactive présente au sein des particules de granulats. Ce gel de réaction présente cependant des propriétés hydrophiles, c’est-à-dire qu’il a une affinité pour l’eau. Lorsque celui-ci se trouve en présence d’eau ou d’humidité, il gonfle au point de générer des contraintes de traction au sein des particules en question et de la pâte de ciment au voisinage. Dès lors que ces contraintes dépassent la résistance en traction des particules de granulats et/ou de la pâte de ciment, il y a fissuration. Celle-ci pourra alors se propager d’une particule réactive à une autre, à travers la pâte de ciment, formant ainsi un motif/réseau dont la sévérité augmentera avec le temps et qui pourra apparaître sous différentes orientations à la surface de l’élément affecté (Fournier et Bérubé, 2000).
3.3 Conditions nécessaires au développement de la RAS
7Trois conditions doivent coexister afin que la RAS puisse se développer dans le béton. Il s’agit des trois facteurs suivants : la présence de phases minérales réactives (issues des particules de granulats réactifs), une teneur élevée en hydroxydes alcalins dans la solution interstitielle du béton ainsi qu’une teneur en humidité relative supérieure à 80-85% au sein du béton. En fonction de l’importance de chacun de ces paramètres, les éléments de béton atteints de RAS se comporteront de manière différente. D’autres facteurs peuvent également influencer le développement de la RAS. Ceux-ci seront abordés à la section 3.3.4.
3.3.1 Granulats réactifs
Tel qu’il a été abordé précédemment, la variété de silice réactive contenue dans les particules de granulats influence grandement le développement de la RAS (Fournier et Bérubé, 2000). Plusieurs paramètres conditionnent le degré de réactivité des granulats à béton. Parmi ces paramètres, il y a la quantité de particules réactives contenues dans ces particules de granulats, la quantité et le type de silice réactive (minéraux siliceux pauvrement cristallisés ou quartz à grains très fins ou plus grossiers – Section 3.3.1)
7
présente au sein de ces particules, et enfin la dimension de celle-ci (plus les particules sont petites, plus leur surface spécifique sera élevée).
3.3.2 Teneur en hydroxydes alcalins
La concentration en hydroxydes alcalins (ions hydroxyles [OH-]) de la solution interstitielle du béton agit comme principale force motrice pour le développement de la réaction alcalis-silice (N. Smaoui et al., 2005). L’ampleur et la vitesse à laquelle la réaction prend place (cinétique de réaction) dépendent de plusieurs facteurs tels que la teneur en alcalis du ciment, le dosage en ciment du mélange et même le rapport eau/ciment conditionnant la concentration de la solution interstitielle.
La provenant de ces alcalis sont nombreux. Ceux-ci proviennent bien sûr du ciment, mais il existe plusieurs sources secondaires comme l’eau de gâchage, les adjuvants, les sels de déglaçage, l’eau de mer ou encore de solutions naturelles ou industrielles de sels alcalins (Duchesne et Bérubé, 1994).
3.3.3 Teneur en humidité
Il est généralement reconnu qu’une humidité relative supérieure à 80-85% dans le béton est nécessaire pour engendrer la RAS (Figure 3-1a) (Dennis Palmer, 1992 ; Fournier et Bérubé, 2000). Néanmoins, la présence de chlorures dans le béton favorise la rétention d’eau, réduisant ainsi à 70% le seuil limite du taux d’humidité dans le béton nécessaire pour générer de l’expansion et la fissuration associable à la RAS. Plus le taux d’humidité est élevé, plus la réaction se développera rapidement. En revanche, un béton complètement immergé dans l’eau ne verra pas sa réaction accélérée, car un lessivage des ions [OH-] se trouvant dans la solution interstitielle du béton peut se produire (Fournier
et Bérubé, 2000).
3.3.4 Autres facteurs
Il existe de nombreux facteurs secondaires qui sont reconnus pour avoir une influence sur le développement de la réaction alcalis-silice ou bien sur l’ampleur de ces manifestations au sein d’un élément (Stark et De Puy, 1987). Parmi ceux-ci, il y a les cycles de mouillage-séchage, de gel-dégel, la température (Figure 3-1B) ainsi que la présence et l’ampleur du
confinement agissant sur l’élément de béton (e.g. réseau d’armature ou confinement externe).
En ce qui concerne les propriétés intrinsèques du béton, un rapport eau/ciment (E/C8) élevé semble accroire le potentiel expansif du béton, malgré l’augmentation de la porosité de celui-ci (Fournier et Bérubé, 2000) (Ferraris, 1995).
A) B)
________________________
Figure 3-1 : A) Influence de l'humidité sur le gonflement associable à la RAS et B) Influence de la température sur le seuil d’humidité relative nécessaire à engendrer la RAS. Les points et les lettres représentent des résultats repris de différentes publications. (Carles-Gibergues et Hornain, 2008).
3.4 Les effets de la réaction
9Les dommages associables à la RAS peuvent généralement être identifiés lors de l’inspection routinière de l’ouvrage en service (inspection visuelle). Toutefois, ce n’est que par un examen plus approfondi (examen pétrographique) ainsi que par des essais effectués en laboratoire (sur des carottes prélevées au sein de ces structures) que l’on
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Grandeur exprimant le rapport entre la masse d'eau de gâchage et la masse de ciment d'un béton.
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