Étude du comportement structural de poutres et de dalles de ponts en béton armé d'une nouvelle armature à base de fibre de basalte sous charge statique

L'avancée de la technologie des PRF a suscité l'intérêt de l'introduction de nouvelles fibres, comme la fibre de basalte, qui a un potentiel d'offrir une solution efficace, lorsqu’utilisée dans les structures en béton, soit sur la résistance à la corrosion, la durabilité et la rentabilité. En outre, les codes et les guides disponibles, ne fournissent pas de recommandations pour l'utilisation de barres en PRFB puisque les recherches passées dans ce domaine sont limitées. Donc, des travaux de recherche sont nécessaires pour caractériser et comprendre le comportement des barres de PRFB dans les éléments en béton armé. En conséquence, les objectifs principaux sont d'évaluer les caractéristiques à court et long terme des barres de PRFB nouvellement développées, ainsi que d'évaluer les performances structurales de ces nouvelles barres comme renforcement interne dans les poutres et les dalles de pont et d'introduire ce nouveau renforcement dans les codes et les guides de dimensionnement. Les tests expérimentaux ont été faits en trois parties. La première partie porte sur le développement de trois nouvelles barres et tendons en PRFB pour déterminer leurs propriétés physiques et mécaniques. Les performances à long terme et de durabilité ont été réalisées en conditionnant les barres de PRFB dans une solution alcaline simulant les conditions humides dans le béton pour déterminer la compatibilité comme renforcement interne dans les éléments en béton. Par la suite, les propriétés ont été déterminées et comparées avec des spécimens non conditionnés (référence). La seconde partie a porté sur sept dalles de pont en béton armé grandeur réelle avec les bords restreints, simulant les tabliers de pont les plus utilisés en Amérique du Nord, pour évaluer la performance des dalles renforcées de PRFB et d'acier. Les dalles mesurent 3000 mm de long × 2500 mm de large × 200 mm d'épaisseur. Les dalles ont été testées jusqu'à la rupture sous une charge concentrée au centre de celles-ci simulant l'empreinte d'une roue d'un camion. Les capacités en poinçonnement sont prédites en utilisant les exigences réglementaires disponibles, et sont comparées aux résultats expérimentaux. La troisième partie de cette étude portait sur les essais de 14 poutres en béton de 3100 mm de long × 200 mm de large × 300 mm de profond pour examiner le comportement en flexion et les performances en service des barres de PRFB avec deux états de surfaces: fini sablé et crénelé. Les poutres ont été testées en flexion en quatre points avec une portée libre de 2700 mm jusqu'à la rupture. Les résultats sont introduits et discutés en terme : du comportement de la fissuration, des flèches, de la capacité en flexion et des modes de ruptures. De plus, le coefficient d'adhérence (kb) des barres de PRFB est déterminé et comparé avec les recommandations des codes et guides actuels. Les résultats sont introduits et discutés en terme : du comportement de la fissuration, des flèches, de la capacité en flexion et des modes de ruptures. De plus, le coefficient d'adhérence des barres de PRFB est déterminé et comparé avec les recommandations des codes et guides actuels. Les résultats de l'étude concluent sur la viables pour la production des barres de PRFB pour respecter les exigences des codes actuelles. Également, les résultats d'essai indiquent que les barres de PRFB ont de bonnes propriétés mécaniques et peuvent être placées dans la même catégorie que les barres de PRFV, soit grade III. De plus, le comportement des poutres et des dalles de pont renforcées de PRFB est similaire que pour un renforcement en PRFV et PRFC et les exigences réglementaires sont applicables pour les barres de PRFB.Abstract: The advances in fiber-reinforced-polymer (FRP) technology have spurred interest in introducing new fibers, such as basalt FRP (BFRP), which has the potential to offer an efficient solution when implemented in concrete structure, such as corrosion resistant, durable and cost-effective. Furthermore, the available design codes and guides do not provide any recommendations for the use of BFRP bars since fundamental studies and relevant applications are still limited. Therefore, investigations are needed to characterize and understand the behavior of BFRP bars in concrete members. Consequently, the main objectives of this experimental investigation are to evaluate the short- and long-term characteristics of newly developed BFRP bars, as well as evaluate the structural performance of these new bars as internal reinforcement for concrete beams and bridge-deck slabs to introduce these new reinforcing bars to the design codes and guides. The experimental tests were completed through three parts. The first part was conducted on three newly developed BFRP bars and tendons to investigate their physical and mechanical properties. Durability and long-term performance were assessed by conditioning the BFRP bars in an alkaline solution simulating the moist concrete environment to determine their suitability as internal reinforcement for concrete elements. Thereafter, the properties were assessed and compared with the unconditioned (reference) values. The second part of this study was conducted on seven full-scale edge-restrained concrete bridge-deck slabs simulating actual slab-on-girder bridge-deck that is commonly used in North America to evaluate the performance of concrete bridge-deck slabs reinforced with BFRP and steel bars. The deck slabs measured 3000 mm long × 2500 mm wide × 200 mm deep. The slabs were tested up to failure under single concentrated load acting on the center of each slab simulating the footprint of sustained truck wheel load. The punching shear capacities were predicted using the available provisions, and compared with the experimental results. The third part of this study included testing of fourteen concrete beams of 3100 mm long × 200 mm wide × 300 mm deep to investigate the flexural behavior and serviceability performance of sand-coated and ribbed BFRP bars in concrete beams. The beams were tested under four-point bending over a clear span of 2700 mm until failure. The results are introduced and discussed in terms of cracking behavior, deflection, flexure capacity, and failure modes. In addition, the bond-dependent coefficient (kb) of the BFRP bars was determined and compared with the recommendations of the current FRP design codes and guides. The findings of this study concluded the feasibility of producing BFRP bars meet the requirements of the current FRP standards. Also, the test results revealed that the BFRP bars had good mechanical behavior and could be placed in the same category as grade II and grade III GFRP bars. Moreover, the behavior of the concrete bridge-deck slabs and beams reinforced with BFRP bars was quite similar to the counterparts reinforced with glass- and carbon-FRP bars and the available FRP provisions are applicable for BFRP bars. The beam test results yielded an average bond-dependent coefficient (kb) of 0.76±0.03 and 0.83±0.03 for the sand-coated and ribbed BFRP bars, respectively