Contribution to the assessment of damage in aging concrete infrastructures affected by alkali-aggregate reaction

La réaction alcalis-granulat (RAG) fait partie des principaux processus affectant la durabilité des infrastructures en béton à travers le monde. Récemment, des chercheurs ont proposé un outil global de gestion (diagnosis et prognosis) de structures affectées par la RAG basé sur une série d’essais de laboratoire, incluant le Stiffness Damage Test (SDT) et le Damage Rating Index (DRI), des procédures micromécaniques d’évaluation de l’endommagement du béton. Quoique prometteurs, ces essais impliquent plusieurs paramètres dont l’impact n’est pas encore bien compris, ce qui réduit leur applicabilité à une vaste gamme de bétons (e.g. différentes formulations, types de mécanismes d’endommagement, variétés de granulats, etc.). Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre le mécanisme par lequel la RAG se développe et comment elle influence les propriétés physicomécaniques des bétons affectés, afin de pouvoir utiliser efficacement les outils mentionnés précédemment dans les contextes pratiques d’ingénierie. Pour atteindre cet objectif, des éprouvettes de béton de différentes résistances (25-45 MPa) et incorporant une variété de granulats réactifs et non réactifs (fins et grossiers) ont été fabriquées en laboratoire. Des essais mécaniques (SDT, traction, compression et module d’élasticité) et microscopiques (DRI) ont ensuite été effectués sur ces éprouvettes, à différents niveaux d’expansion, de façon à favoriser le caractère diagnostique optimal de chaque outil. Puis, le couplage micromécanique des résultats a été étudié en profondeur. Les résultats démontrent que le SDT et le DRI permettent une évaluation diagnostique de l’endommagement associable à la RAG lorsqu’un certain nombre de paramètres critiques sont respectés. Les données optimales de sortie de ces essais sont ainsi basées sur des mesures « mécaniques » (énergie dissipée/déformation plastique, valeurs brutes ou indices relatifs) ou microstructurales (nombre/type de fissures) au sein des bétons affectés. En plus, un modèle microstructural qualitatif de l’endommagement de bétons en fonction de l’avancement de la RAG a été proposé. De même, le couplage micromécanique a permis d’expliquer efficacement l’influence de ce mécanisme sur les pertes de propriétés mécaniques de bétons affectés. Finalement, une charte permettant l’évaluation globale de l’endommagement de bétons affectés par la RAG est proposée. Mots clés: Réaction alcalis-granulat (RAG), couplage microscopique/mécanique, évaluation de l’endommagement des infrastructures en béton vieillissantes.Alkali-aggregate reaction (AAR) is one of the main processes affecting the durability of concrete infrastructures worldwide. Recently, researchers proposed a comprehensive management tool for the diagnosis and prognosis of AAR affected structures based on a series of laboratory test procedures, including the Stiffness Damage Test (SDT) and the Damage Rating Index (DRI), micromechanical procedures for assessing damage in concrete. Although promising, these tests still have several parameters whose impact is not well understood, which reduces significantly their applicability for a wide range of distressed concretes (i.e. different concrete mix designs, damage mechanisms, variety of aggregate types, etc). This PhD project aims at better understanding how AAR develops and influences the physicomechanical properties of affected concrete, in order to use more effectively the tools mentioned previously in practical engineering applications. To achieve this goal, concrete samples of different mix design strenghts (25-45 MPa) incorporating a wide variety of both reactive and non-reactive aggregates (coarse and fine) were manufactured in the laboratory. Mechanical (SDT, tensile and compressive strengths and modulus of elasticity) and microscopic (DRI) tests were then performed on these samples at different expansion levels, in order to determine the optimal conditions enabling the effective diagnostic character through each tool. Then, the micromechanical coupling of the results was studied in depth. The results show that both the SDT and the DRI are able to provide a diagnostic damage assessment of concrete distressed due to AAR when a number of critical parameters are adopted. The optimal output data from those procedures are thus based on either "mechanical" (dissipated energy/ plastic deformation, absolute values or indices) or microstructural (number /crack types) measurements on the affected material. Moreover, a qualitative microscopic damage model towards AAR development was proposed. Likewise, the above micromechanical coupling allowed to effectively explaining the impact of AAR on the reductions of the mechanical properties of affected concretes. Finally, a comprehensive chart enabling the overall damage assessment of concrete affected by AAR is proposed. Keywords: alkali-aggregate reaction (AAR), microscopic/mechanical coupling, assessment of damage in aging concrete infrastructure