Caractérisation de la performance en service des chapes minces en bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) pour dalles de pont et industrielles

«Depuis plusieurs décennies, le Québec est confronté à une dégradation accélérée de ses infrastructures, notamment les dalles de béton soumises à un trafic routier intense et à l’usage intensif de sels de déglaçage en période hivernale. Ces conditions provoquent des dégradations par gel-dégel, abrasion et la corrosion des armatures, compromettant la durabilité des structures. Afin d’améliorer la performance et la longévité des dalles de pont et industrielles, ce projet de maîtrise explore la caractérisation de la performance en service des chapes minces en bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP). Ces chapes visent à offrir une surface de roulement durable et étanche, sans recours à une membrane d'étanchéité et un enrobé bitumineux. Les propriétés mécaniques exceptionnelles du BFUP, notamment sa résistance élevée à la traction et sa faible perméabilité, en font un candidat idéal pour ce type d’application. Deux programmes expérimentaux ont été menés. Le premier programme a évalué les performances de chapes avec différentes surfaces de roulement en BFUP et en béton ordinaire (BO) selon des critères de résistance à l’écaillage et à l’abrasion de même que d’adhérence selon les normes CSA A23.2-22C (2019), ASTM C944 (2019) et ASTM E303 (2022) respectivement. Trois types de finitions de surface ont été testés pour le BFUP (lisse, rainurée, et à granulats/fibres exposés), tandis que seul la finition lisse a été étudiée pour le BO. L’étude a clairement démontré la supériorité de la chape en BFUP par rapport à celle en BO en matière de durabilité face aux sollicitations environnementales et mécaniques. En ce qui concerne l’écaillage, les chapes en BFUP ont affiché des performances nettement supérieures, avec des pertes de masse réduites de 83 % pour la surface lisse après 56 cycles de gel-dégel en présence de sels. Toutes les finitions de BFUP ont présenté des pertes bien en-dessous de la limite normative de 0,5 kg/m², même si les surfaces à granulats/fibres exposés et rainurées ont présenté des pertes plus importantes atteignant respectivement 15 fois et 2.2 fois celles de la surface lisse. Du point de vue de la résistance à l’abrasion, la chape en BFUP a également démontré une performance nettement supérieure, avec des pertes de masse 76 % inférieures à celles du BO en surface lisse. Même après un endommagement préalable par écaillage, la chape en BFUP conserve un avantage notable avec une résistance à l’abrasion 61 % plus élevée. Cependant, les finitions plus rugueuses ont montré une réduction de la résistance à l’abrasion, notamment la surface rainurée, dont les pertes atteignent jusqu’à 6.8 fois celles de la surface lisse. En ce qui concerne le critère d’adhérence, toutes les vi surfaces testées ont respecté la limite minimale suggérée par la Ville de Montréal (BPN ≥ 55), avec des indices similaires pour les surfaces lisses en BFUP et BO (environ 70). La meilleure adhérence a été mesurée sur la finition rainurée transversalement (BPN = 91), bien que cette configuration soit moins adaptée aux zones urbaines en raison du bruit qu’elle génère.»

Abstract

«For several decades, Quebec has been facing accelerated degradation of its infrastructure, particularly concrete slabs exposed to heavy road traffic and intensive use of de-icing salts. These conditions cause freeze-thaw damage, abrasion, and reinforcement corrosion, compromising the durability of the structures. To improve the performance and longevity of concrete pavement slabs for road and industrial use, this master’s project explores the characterization of the service performance of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPC) thin overlays. These overlays are designed to deliver a long-lasting, waterproof riding surface, eliminating the need for an additional waterproofing membrane and an asphalt overlay. Thanks to its exceptional mechanical properties particularly high tensile strength and low permeability, UHPC is an ideal material for such applications. Two experimental programs were conducted. The first program evaluated the performance of UHPC and ordinary concrete (OC) overlays with various surface finishes, based on scaling resistance, abrasion resistance, and skid resistance, in accordance with CSA A23.2-22C (2019), ASTM C944 (2019), and ASTM E303 (2022), respectively. Three types of surface finishes were tested for the UHPC (smooth, grooved, and exposed aggregates/fibers), while only the smooth finish was studied for the OC. The study clearly demonstrated the superiority of the UHPC overlay compared to the OC one under environmental and mechanical stresses. In terms of scaling, UHPC showed significantly better performance, with mass loss reduced by 83% for the smooth surface after 56 freeze-thaw cycles with de-icing salts. All UHPC finishes exhibited losses well below the normative limit of 0.5 kg/m², although the exposed aggregates/fibers and grooved surfaces showed higher losses, reaching 15 times and 2.2 times those of the smooth surface, respectively. In terms of abrasion resistance, the UHPC overlay also demonstrated significantly superior performance, with mass losses 76% lower than those of the smooth OC surface. Even after prior scaling damage, the UHPC overlay maintained a notable advantage, with abrasion resistance 61% higher. However, rougher finishes showed a reduction in abrasion resistance, particularly the grooved surface, whose losses reached up to 6.8 times those of the smooth surface. Regarding skid resistance, all tested surfaces met the minimum threshold suggested by the City of Montreal (BPN ≥ 55), with comparable values around 70 for smooth UHPC and OC surfaces. The best skid resistance was viii recorded for the transversely grooved finish (BPN = 91), though it is less suitable in urban settings due to noise generation.»