Évaluation de la durabilité des pieux en béton armé de barres et de spirales de PRFV en milieu marin

Abstract : Conventional concrete reinforced (RC) with black steel in marine environment suffers damage due to corrosion. Most field examination studies found heavy corrosion before achieving 75-100 years of the service life desired by the Federal Highway Administration (FHWA). Lately, glass fiber-reinforced polymers (GFRP) as internal reinforcement in concrete have proved outstanding structural and long-term durability performance in corrosive environments. The last three decades witnessed a significant revolution in the usage of GFRP in civil engineering projects to raise the service lives and reduce maintenance costs of RC structures. Over three-thousands bridges over Canada and U.S. included GFRP bars as reinforcement for constructing the most elements vulnerable to corrosion due to de-icing salts and annual thermal changes (i.e., deck slabs) as well as the usage in reinforcing the culvert bridges in the U.S. The field examination for the bridge’s barrier walls, deck slabs, and culvert built with GFRP bars after 10-20 years in service indicates good long-term durability. The usage of GFRP bars and spirals in the RC columns, piers, and piling system is widely accepted and recommended in most conclusions of previous studies. Most investigations in the past have focused mainly on the behavior of RC piles/columns under concentric, eccentric, and cyclic loading, disregarding the relationship between the structural and durability behavior. This thesis presents the results of the axial compression test for forty-eight RC square and circular piles exposed to the marine environment and two conditioning temperatures for 12-months. All specimens have laboratory-scale dimensions measuring 300 mm for square pile's width, 304 mm for circular pile's diameter, and 1000 mm general height. The durability conditioning regime is comprised of two environments; (i) simulation for the marine environment in sub-tropical regions (22°C), (ii) simulated marine environment at accelerated temperature (60°C). Phase (I) contains 18-concrete square piles and Phase (II) includes 18-concrete circular piles. The thirty-six concrete piles were: six specimens were without internal reinforcement, 6-specimens were reinforced with hybrid reinforcement (steel bars and GFRP spirals), and the remaining twentyfour specimens were fabricated with pristine GFRP bars and spirals. For each phase, twelve pile specimens were subjected to the conditioning regime for 12-months, six specimens for each conditioning temperature. Whereas phase (III) includes 6- square and 6-circular RC piles, which were made of GFRP reinforcement directly immersed in the simulated marine environment at 22 and 60°C for 12-months before integrating into concrete, three GFRP-cages for each aging temperature. Several structural variables were investigated through the three phases such as longitudinal reinforcement (ratio and diameter) and transverse reinforcement (pitch and configurations). In addition, a microstructural analysis program (SEM, DSC, and FTIR) was carried out on GFRP material extracted from the aged piles and those directly exposed to the conditioning regime. Concrete cores taken from the aged piles were examined by optical microscopy (OM) to assess the bond between concrete and bars/spirals. This thesis also introduces a characterization for GFRP bars exposed directly to the marine environment based on tensile, bond, and horizontal shear tests. The experimental axial compression capacities of GFRP-RC piles were compared with the values predicted using the available design equations in the current design codes. The results obtained from microstructural analyses showed that GFRP reinforcement used in this study possesses good long-term durability in concrete saturated with the marine environment or in solutions simulated seawater environments at 60°C after 12-months. OM images for the concrete/bar contact circumference revealed that bars/spirals firmly bond to concrete. A 0.85 is the lowest retention in the tensile and bond strengths of GFRP bars, while the retention in horizontal shear strength reaches 0.95 after direct exposure to the marine environment at 60°C for 12-months. Based on the compressive tests, the axial compression behavior of GFRP-RC square and circular pile did not adversely affect by immersion in the simulated marine environment at 22 or 60°C for 12-months or using pre/conditioned GFRP material. The axial compression capacity of ten GFRP-RC pile specimens submerged in the simulated marine environment at 60°C was enhanced by 116-125% compared to their unconditioned counterparts as a result of an increase in the concrete compressive strength. Specimens fabricated with GFRP material aged at 60°C exhibited similar ductile behavior and axial compression capacities of their counterparts constructed with pristine GFRP material. Despite the tensile strength reduction after exposure to aggressive environments, GFRP reinforcing materials effectively perform their structural function as internal reinforcement of RC piles. All investigated structural variables effectively affect the compressive behavior of GFRP-RC piles in the marine environment. The reduction factors for GFRP-RC structures specified in CSA (2019a) and AASHTO (2018a), and CSA (2017) yielded lower axial compression capacities than those obtained experimentally. A more accurate design equation to calculate the axial load capacity of the GFRP RC piles should consider the contribution of longitudinal GFRP bars even when exposed to severe marine environments.Le béton conventionnel armé (RC) avec de l'acier noir dans un environnement marin subit des dommages dus à la corrosion. La plupart des études d'examen sur le terrain ont révélé une forte corrosion avant d'atteindre les 75-100 ans de la durée de vie souhaitée par la Federal Highway Administration (FHWA). Récemment, les polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) utilisés comme armature interne dans le béton ont prouvé qu'ils présentaient des performances structurelles et de durabilité à long terme exceptionnelles dans des environnements corrosifs. Les trois dernières décennies ont vu une révolution significative dans l'utilisation des PRFV dans les projets de génie civil pour augmenter la durée de vie et réduire les coûts de maintenance des structures en béton armé. Plus de trois mille ponts au Canada et aux États-Unis ont inclus des barres GFRP comme renforcement pour la construction des éléments les plus vulnérables à la corrosion due aux sels de déglaçage et aux changements thermiques annuels (c'est-à-dire les dalles de pont), ainsi que pour le renforcement des ponceaux aux États-Unis. L'examen sur le terrain des murs de protection, des dalles de pont et des ponceaux construits avec des barres GFRP après 10 à 20 ans de service indique une bonne durabilité à long terme. L'utilisation de barres et de spirales en GFRP dans les colonnes, les piliers et les systèmes de pilotis en béton armé est largement acceptée et recommandée dans la plupart des conclusions des études précédentes. La plupart des recherches dans le passé se sont concentrées principalement sur le comportement des pieux/colonnes en béton armé sous des charges concentriques, excentriques et cycliques, sans tenir compte de la relation entre le comportement structurel et la durabilité. Cette thèse présente les résultats de l'essai de compression axiale pour quarante-huit pieux RC carrés et circulaires exposés à l'environnement marin et à deux températures de conditionnement pendant 12 mois. Tous les spécimens ont des dimensions à l'échelle du laboratoire mesurant 300 mm pour la largeur du pieu carré, 304 mm pour le diamètre du pieu circulaire, et 1000 mm de hauteur générale. Le régime de conditionnement de durabilité est composé de deux environnements ; (i) simulation pour l'environnement marin dans les régions subtropicales (22°C), (ii) environnement marin simulé à température accélérée (60°C). La phase (I) comprend 18 pieux carrés en béton et la phase (II) comprend 18 pieux circulaires en béton. Les trente-six pieux en béton étaient les suivants : six spécimens n'avaient pas d'armature interne, six spécimens étaient renforcés par une armature hybride (barres d'acier et spirales GFRP), et les vingt-quatre spécimens restants étaient fabriqués avec des barres et des spirales GFRP vierges. Pour chaque phase, douze spécimens de pieux ont été soumis au régime de conditionnement pendant 12 mois, six spécimens pour chaque température de conditionnement. Tandis que la phase (III) comprend 6 pieux RC carrés et 6 circulaires, qui ont été réalisés avec des armatures GFRP directement immergées dans l'environnement marin simulé à 22 et 60°C pendant 12 mois avant d'être intégrées dans le béton, trois cages GFRP pour chaque température de vieillissement. Plusieurs variables structurelles ont été étudiées au cours des trois phases, telles que les armatures longitudinales (ratio et diamètre) et les armatures transversales (pas et configurations). De plus, un programme d'analyse microstructurelle (SEM, DSC, et FTIR) a été réalisé sur le matériau GFRP extrait des pieux vieillis et ceux directement exposés au régime de conditionnement. Des carottes de béton prélevées sur les pieux vieillis ont été examinées par microscopie optique (OM) pour évaluer la liaison entre le béton et les barres/spirales. Cette thèse présente également une caractérisation des barres GFRP exposées directement à l'environnement marin, basée sur des essais de traction, de liaison et de cisaillement horizontal. Les capacités expérimentales de compression axiale des pieux en GFRP-RC ont été comparées aux valeurs prédites en utilisant les équations de conception disponibles dans les codes de conception actuels. Les résultats obtenus à partir des analyses microstructurales ont montré que le renforcement GFRP utilisé dans cette étude possède une bonne durabilité à long terme dans du béton saturé de l'environnement marin ou dans des solutions simulant des environnements d'eau de mer à 60°C après 12 mois. Les images OM de la circonférence de contact béton/barre ont révélé que les barres/spirales adhèrent fermement au béton. Une rétention de 0,85 est la plus faible dans les résistances à la traction et à l'adhérence des barres GFRP, tandis que la rétention de la résistance au cisaillement horizontal atteint 0,95 après une exposition directe à l'environnement marin à 60°C pendant 12 mois. D'après les essais de compression, le comportement en compression axiale des pieux carrés et circulaires en GFRP-RC n'a pas été affecté par l'immersion dans l'environnement marin simulé à 22 ou 60°C pendant 12 mois ou par l'utilisation de matériau GFRP pré-conditionné. La capacité de compression axiale de dix spécimens de pieux RC en GFRP immergés dans un environnement marin simulé à 60°C a été augmentée de 116-125% par rapport à leurs homologues non conditionnés en raison d'une augmentation de la résistance à la compression du béton. Les spécimens fabriqués avec un matériau GFRP vieilli à 60°C ont présenté un comportement ductile et des capacités de compression axiale similaires à ceux de leurs homologues construits avec un matériau GFRP vierge. Malgré la réduction de la résistance à la traction après exposition à des environnements agressifs, les matériaux de renforcement GFRP remplissent efficacement leur fonction structurelle en tant que renforcement interne des pieux RC. Toutes les variables structurelles étudiées affectent efficacement le comportement en compression des pieux GFRP-RC dans l'environnement marin. Les facteurs de réduction pour les structures en GFRP-RC spécifiés dans CSA (2019a) et AASHTO (2018a), et CSA (2017) ont donné des capacités de compression axiale inférieures à celles obtenues expérimentalement. Une équation de conception plus précise pour calculer la capacité de charge axiale des pieux RC en GFRP devrait tenir compte de la contribution des barres longitudinales en GFRP, même lorsqu'elles sont exposées à des environnements marins sévères