Degradation of the residual strength of concrete : effect of fiber-reinforcement and of rubber aggregates : application to thin bonded cement-based overlays

par Syed Asad Ali Gillani

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Anaclet Turatsinze et de Ahmed Toumi.

  • Titre traduit

    Dégradation de la résistance résiduelle en traction d’un béton : effet d’un renfort par des fibres et des granulats en caoutchouc : application aux rechargements minces adhérents à base cimentaire


  • Résumé

    Ce travail est centré sur l'étude du décollement de couches minces adhérentes à base cimentaire sur un substrat en béton sous chargement mécanique. Comme matériaux de réparation, des mortiers renforcés par des fibres et/ou incorporant des granulats en caoutchouc sont utilisés. Dans ces conditions, l'étude de la durabilité des réparations implique nécessairement celle de la dégradation de la résistance sous chargement de fatigue. Dans ce contexte, des essais de fatigue par traction, contrôlés par l'ouverture de la fissure (CMOD) sont effectués sur des échantillons composites afin d'établir la loi de dégradation de la résistance du mortier renforcé par des fibres et / incorporant des granulats en caoutchouc. Les résultats montrent que, pour une ouverture de fissure maximale donnée, la résistance résiduelle diminue avec le nombre de cycles et ce quelle que soit la nature du composite. La dégradation maximale de la résistance résiduelle se produit dans le cas du mortier non fibré. Pour des grandes ouvertures de fissure, un renfort par des fibres permet de limiter cette dégradation sous un chargement de fatigue. Dans le cas du mortier incorporant des granulats en caoutchouc, la dégradation de la résistance résiduelle est limitée pour les petites ouvertures de fissure. Une association granulats caoutchouc-renforcement par des fibres permet de limiter les dégâts sur une large étendue d'ouvertures de fissure. Cette solution confère au composite un intérêt pour une application durable dans le cas des réparations minces adhérentes à base cimentaire. En tenant compte des principales pathologies rencontrées dans cette application tels que la fissuration de la couche de réparation suivie par le décollement de l'interface, différentes techniques de préparation de la surface du support ont été évaluées. Parmi celles-ci, un traitement de la surface par sablage, facile à mettre en œuvre dans les conditions réelles, a été utilisé. Pour évaluer la performance structurale, des poutres composites constituées d'un rechargement mince sur des substrats dont la surface a été préalablement traitée par sablage ont été soumises à des essais de flexion trois points (monotone et fatigue). Pour le suivi de l'évolution de la fissuration dans le rechargement et du décollement à l'interface, la technique de corrélation d'image 3D est employée. Il en résulte que l'incorporation des granulats caoutchouc dans le matériau de réparation est efficace pour contrôler la fissuration, et par conséquent pour retarder l'initiation du décollement. De plus, le renforcement du matériau de réparation par des fibres est également efficace pour limiter la propagation du décollement en contrôlant l'ouverture de la fissure. Ainsi, l'utilisation simultanée des granulats caoutchouc et des fibres dans le matériau de réparation par couches minces à base cimentaire peut être une solution appropriée pour retarder l'initiation du décollement et également pour limiter sa propagation, autrement dit pour la durabilité de l'application. Les granulats en caoutchouc utilisés étant obtenus par broyage de pneus usagés non réutilisables, cette approche apporte une valeur ajoutée en valorisant un sous produit industriel et en contribuant à la sauvegarde d'un environnement sain.


  • Résumé

    This work is devoted to the study of the debonding of thin bonded cement-based overlays from the concrete substrate under mechanical loading. As repair materials, fiber-reinforced and rubbberized cement-based mortars are used. Under these conditions, assessment of durability of the repairs necessarily involves the study of the degradation of the bridging strength under fatigue loading. In this context, tensile fatigue tests controlled by crack mouth opening displacement (CMOD) are conducted on composite specimens in order to establish the degradation law of fiber-reinforced and/or rubberized mortar. The bridging strength decreases with the number of fatigue cycles for the same maximum crack width, whatever the nature of the composite. The maximum cyclic bridging strength degradation occurs in plain mortar. The cyclic bridging strength degradation for large pre-cracked widths is limited for mortar reinforced with metallic fibers. In case of rubberized mortar, cyclic bridging strength degradation is limited at less pre-cracked width values. A combine use of rubber aggregates and fibers in mortar appeared to be a suitable solution to limit the cyclic bridging strength degradation for a wide range of pre-cracked widths. It confers to the composite an interest for durable application such as cement-based thin bonded overlays. Taking into account the main cause of distress in thin bonded cement-based applications i.e. cracking and interface debonding, different surface preparation techniques were evaluated in this research. Among them, the sandblasting one is usually implemented in actual conditions. In order to investigate the structural performance, composite beams consisting of a thin repair layer on top of sandblasted substrates are subjected to three point bending tests (monotonic and fatigue). For monitoring the evolution of cracking in the repair layer and of debonding at interface, digital 3D image correlation technique is used. It emerges as a conclusion that the rubber aggregates incorporation in repair material is helpful to control micro-cracking, which results in the delay of the debonding initiation. Moreover, a fiber-reinforcement of repair material is also helpful to limit the interface debonding propagation by restraining opening of the crack. So, the dual-use of rubber aggregates and fibers in the repair material of thin bonded cement-based overlays can be a suitable solution to delay the debonding initiation and also to limit the interface debonding propagation. This shows that the synergetic effect provided by the combine use of rubber aggregates and fibers remains valid under fatigue loading also. The used rubber aggregates are obtained by grinding end-of-life tyres. In such conditions, the approach brings an added value, the recycling of this industrial by-product being also a contribution to the maintenance of a clean environment. Incidentally, this approach also helps towards the development of a circular economy.

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier, Toulouse 3 [diffusion/distribution] à Toulouse

Degradation of the residual strength of concrete : effect of fiber-reinforcement and of rubber aggregates : application to thin bonded cement-based overlays


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  • Sous le titre : Degradation of the residual strength of concrete : effect of fiber-reinforcement and of rubber aggregates : application to thin bonded cement-based overlays
  • Détails : 1 vol. (194 p.)
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