Master of Science / Department of Civil Engineering / Kyle Riding / Concrete is the most widely used construction material. Concrete strength and durability develop from a series of exothermic reactions involving water called hydration. Long-term durability and performance of concrete is very much dependent on the early hydration behavior of cementitious materials. This study examined the effects of curing temperature and access to moisture on the early age reaction rate of cementitious materials, and methods for quantifying these effects. Apparent activation energy (Ea) relates the effects of temperature on the cement hydration reaction. There are various methods and calculation techniques for estimating Ea that result in greatly varying values. Cement paste and mortar are often used to calculate Ea and used later for concrete. Ea values were calculated using cement mortar and paste by isothermal calorimetry and showed excellent correlation. This validates the use of Ea based on cement paste in modeling concrete behavior. Ea values were also calculated by chemical shrinkage and it showed potential for use in calculating Ea. Cementitious materials need free water to be available for hydration to continue. Curing with either waxy curing compounds or ponded water are common practices. The thickness of distilled water, lime-saturated water, and cement pore water used as a curing method affects the rate of hydration. Water-cementitious material ratio (w/cm) and sample depth affect the performance of water curing, with low w/cm being the most significant. Partial replacement of sand by fine lightweight aggregate also improves the hydration of cementitious material much more than conventional water ponding. Curing compounds showed improvements in cement hydration compared to uncured samples.

Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Kyle A. Riding / Finely ground glass has the potential for pozzolanic reactivity and can serve as a supplementary cementitious material (SCM). Glass reaction kinetics depends on both temperature and glass composition. Uniform composition, amorphous nature, and high silica content of glass make ground glass an ideal material for studying the effects of glass type and particle size on reactivity at different temperature. This study focuses on how three narrow size ranges of clear and green glass cullet, 63–75 [mu]m, 25–38 [mu]m, and smaller than 25 [mu]m, as well as combination of glass types and particle sizes affects the microstructure and performance properties of cementitious systems containing glass cullet as a SCM. Isothermal calorimetry, chemical shrinkage, thermogravimetric analysis (TGA), quantitative analysis of X-ray diffraction (XRD), and analysis of scanning electron microscope (SEM) images in backscattered (BS) mode were used to quantify the cement reaction kinetics and microstructure. Additionally, compressive strength and water sorptivity experiments were performed on mortar samples to correlate reactivity of cementitious materials containing glass to the performance of cementitious mixtures. A recently-developed modeling platform called “[mu]ic the model” was used to simulated pozzolanic reactivity of single type and fraction size and combined types and particle sizes of finely ground glass. Results showed that ground glass exhibits pozzolanic properties, especially when particles of clear and green glass below 25 [mu]m and their combination were used at elevated temperatures, reflecting that glass cullet is a temperature-sensitive SCM. Moreover, glass composition was seen to have a large impact on reactivity. In this study, green glass showed higher reactivity than clear glass. Results also revealed that the simultaneous effect of sizes and types of glass cullet (surface area) on the degree of hydration of glass particles can be accounted for through a linear addition, reflecting that the surface area would significantly affect glass cullet reactivity and that the effects of SCM material interaction on reaction kinetics were minimal. However, mechanical properties of cementitious systems containing combined glass types and sizes behaved differently, as they followed the weaker portion of the two particles. This behavior was attributed to the pores sizes, distruibution, and connectiity. Simulations of combined glass types and sizes showed that more work on microstructural models is needed to properly model the reactivity of mixed glass particle systems.

Stricter greenhouse gas emission limits and renewable energy requirements are expected to further increase the worldwide practices of firing biomass and co-firing biomass with coal, which are both considered more sustainable energy sources than coal-only combustion. Reuse options for the by-products of these processes -biomass ash and co-fired fly ash -remain limited. Therefore, this research examines their use as supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete and as precursors for alkali-activated geopolymers. Toward their potential use as an SCM, after characterizing these ashes assessing their compliance with ASTM C618 requirements, their impact on early-age hydration kinetics, rheology, setting time and permeability was assessed. Furthermore, the pozzolanic reactivity and the microstructural and hydrated phase development of the cement-ash samples were analyzed. The results show that a wood biomass ash sample was not satisfactory for use as an SCM. On the other hand, the findings demonstrate that co-fired fly ashes can significantly improve the strength and durability properties of concrete compared to ordinary portland cement, in part due to their pozzolanicity. Thus, it is recommended that the ASTM C618 standard be modified to permit co-fired fly ash sources that meet existing requirements and any additional requirements deemed necessary to ensure their satisfactory performance when used in concrete. Toward their potential use in geopolymers, this study characterized the early-age reaction kinetics and rheological behavior of these materials, showing that their exothermic reactivity, plastic viscosity and yield stress are significantly influenced by the activator solution chemistry and other characteristics of the ash. Two co-fired fly ashes were successfully polymerized, with compressive strengths generally highest for ashes activated with solutions with a molar ratio of SiO₂/(Na₂O + K₂O) = 1. The results show that geopolymerization is a viable beneficial reuse for these emerging by-products. Further characterization of these materials by scanning transmission X-ray microscopy analysis revealed the heterogeneity of the aluminosilicate phase composition of the co-fired fly ash geopolymer gel at the nano- to micro-scale.

Le phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires est l'une des causes majeures de la corrosion des armatures de structures en béton armé. Ce phénomène est étudié depuis de nombreuses années sur les ciments Portland ordinaires CEM I, et les mécanismes sont relativement bien identifiés. Néanmoins, on remarque que si l'on substitue une partie du ciment par des ajouts tels que des cendres volantes, la réaction pouzzolanique ou les réactions d'hydratation qui s'en suivront amèneront à un contenu molaire plus faible en CHet aboutiront à la création d'une plus grande quantité d'hydrates de type C-S-H. Le pouvoir tampon qu'exerce la portlandite sur le pH de la solution interstitielle sera affaibli et le matériau cimentaire sera potentiellement plus sensible à la présence de CO2 au travers d'une carbonatation des C-S-H qui sera plus marquée. D'un point de vue physique, les évolutions microstructurales induites par un niveau élevé de carbonatation des C-S-H deviennent complexes et peuvent accélérer la diffusion du CO2. Cette thèse a ainsi pour but de caractériser le comportement vis-à-vis de la carbonatation des ciments contenant de forts dosages en cendres volantes et de développer une modélisation des systèmes cimentaires correspondants. Des pâtes de ciment et mortiers ont été formulés avec des rapports E/C variables et différents taux volumiques de substitution en cendre volante. Après une longue cure endogène, des essais de carbonatation accélérée ont été réalisés (10% de CO2, 25°C et 63% HR). À diverses échéances, des essais destructifs (analyse thermique, porosimétrie au mercure et projection de phénolphtaléine) et non-destructifs (gammadensimétrie) ont permis de quantifier le dioxyde de carbone fixé dans chaque type d'hydrate (CH et C-S-H), les changements de microstructure induits (porosité, distribution poreuse), ainsi que l'eau de structure libérée par carbonatation. On a ainsi pu relier les changements de microstructure et la libération d'eau avec les niveaux de carbonatation de la portlandite et des C-S-H.Dans un second temps, la plateforme de modélisation, Bil (sous licence GPL), développée à l'Ifsttar a été utilisée comme support pour le développement d'un modèle aux volumes finis. Il permet de décrire simultanément des réactions chimiques couplées à un transport de matière. Les lois de comportement chimiques - microstructurales (évolution du volume molaire des C-S-H en fonction de leur état de décalcification) et hydriques (eau relarguée par la carbonatation) mises en évidence par la campagne expérimentale ont pu être ainsi introduites dans le modèle. La cinétique de dissolution de la portlandite est paramétrée par une réduction d'accessibilité des amas de cristaux de CH qui, au cours du temps, se recouvrent d'une gangue de calcite de moins en moins perméable. La contribution des C-S-H est prise en compte. Une approche thermodynamique originale permet de décrire leur état de décalcification à l'équilibre au cours de la carbonatation. Au final, de nombreuses espèces chimiques, ainsi que leur spéciation, sont introduites dans le modèle, notamment les alcalins qui ont un effet marqué sur le pH / Reaction of gaseous atmospheric CO2 with calcium-bearing phases in concrete infrastructure components is known to cause a lowering of alkalinity, leading to depassivation and corrosion of rebars. Carbonation mechanism is quite well understood from a physico-chemical point of view, especially in the case of materials made of OPC. Nonetheless the impact of supplementary cementitious materials (SCM), such as fly-ash, on carbonation is still an active research field. The pozzolanic reaction between CH and fly ash implies a lower portlandite content and a higher C-S-H content. Whilst CH is buffering the pH, its lower content in these materials may lead to a lower resistance to carbonation and to a higher contribution of C-S-H in terms of microstructural changes. Thus, this PhD thesis aims at understanding the effect of cement substitution by high contents of fly ash and develop a numerical model describing the carbonation of these cementitious materials. Accelerated carbonation tests (10% CO2, 25°C and 63% RH) were performed on various cement pastes containing fly ash (0%, 30% and 60% of volumic substitution and water-to-cement ratio before substitution of 0.45 and 0.6). Carbonation profiles were assessed by destructive and non-destructive methods such as thermogravimetric analysis and mercury intrusion porosimetry (destructive), as well as gamma-ray attenuation (non-destructive). Carbonation penetration was studied at different ages of CO2 exposure. By correlating microstructure changes with the degree of carbonation of each hydration product related to the formation of calcium carbonate, we are able to propose analytical relationships linking the decrease in porosity and the amount of released water to the carbonation level of CH and C-S-H.The modeling platform Bil (GPL) developed at Ifsttar was used to develop a reactive transport modeling of atmospheric carbonation, using a finite volume method. We introduced in the model the constitutive equations we highlighted using the experimental data. Microstructure evolution was quantified, taking into account the effect of the progressive decalcification of C-S-H linked to their molar volume, as well as the quantity of water released by carbonation. Combined with a kinetic formulation of CH dissolution, C-S-H decalcification was described by an original thermodynamic approach. In the end, many chemical species were introduced in the model, such as alkalis which strongly affect pH

Résumé : Des études récentes menées à l'Université de Sherbrooke ont montré que la poudre de verre possède des propriétés pouzzolaniques très intéressantes et peut être utilisée comme ajout cimentaire alternatif. Les premiers résultats de ces études ont révélé que la poudre de verre performe mieux dans des bétons de rapports E/L élevés comparativement à ceux de rapports E/L faibles. En effet, lorsqu’un même taux de poudre de verre est incorporé dans des bétons de rapports E/L différents, notamment E/L = 0,55 et E/L = 0,40 avec des dosages en liant respectifs de 350 kg/m3 et de 400 kg/m3; une pénétrabilité des ions chlorure similaire dans les deux cas est observée suggérant une bonne durabilité de ce type de béton même à des rapports E/L élevés. Les objectifs visés dans ce projet qui porte sur l’étude de la durabilité en milieux agressifs des bétons incorporant la poudre de verre sont (1) la consolidation de la tendance révélée par la poudre de verre dans les deux types de bétons en élargissant le rapport E/L tout en incluant d’autres ajouts minéraux classiques pour fin de comparaison de leurs effets; (2) la mise en évidence de l'efficacité de la faible pénétrabilité des ions chlorure des bétons malgré leurs rapports E/L élevés, vis-à-vis de la résistance à certains phénomènes de dégradation ou agents extérieurs potentiellement agressifs tels que les sulfates, les chlorures, la carbonatation ou la corrosion. Cette étude s’intéresse également à la caractérisation mécanique et microstructurale permettant de comprendre et d'élucider les mécanismes d'action de la poudre de verre afin de cerner davantage son comportement dans les matrices cimentaires. Pour cela, plusieurs rapports E/L variant de 0,35 à 0,65 (0,35 ≤ E/L ≤ 0,65) ont d’abord été considérés pour formuler une première série de bétons ayant différents dosages en eau. Les résultats de la résistance en compression, de la pénétrabilité des ions chlorure et de la perméabilité à l’eau obtenus de ces investigations sont en parfait accord avec la tendance initialement observée pour les deux rapports E/L = 0,55 et 0,40. Par la suite, trois (3) rapports E/L de 0,55, 0,45 et 0,40 ont été sélectionnés pour reproduire une seconde série de bétons pour les études des propriétés de transports des bétons et des essais de vieillissement accélérés tels que la carbonatation et la corrosion. Tandis que la résistance aux sulfates a été évaluée sur des échantillons de mortiers. Les principaux résultats montrent une légère augmentation de la porosité totale et de la perméabilité au gaz des bétons en présence de la poudre de verre ou de la cendre volante de classe F. Cependant, la perméabilité à l’eau et les autres propriétés de transport impliquant les ions chlorure se trouvent considérablement réduites en présence de la poudre de verre ou des autres ajouts classiques. L'efficacité de la faible pénétrabilité des bétons en présence de la poudre de verre quel que soit le rapport E/L, est bien mise en évidence vis-à-vis de l'initiation à la corrosion induite par les chlorures mais l’est relativement peu sur l'évolution du front de carbonatation initiale accélérée. Par ailleurs, tout comme la cendre volante et contrairement au laitier, les bétons incorporant la poudre de verre développent lentement des résistances à la compression à jeune âge. Toutefois, une combinaison de la poudre de verre avec du métakaolin présente de très bonnes synergies et permet de pallier le déficit de résistance à jeune âge de ce type de béton. Il ressort de cette étude que les effets de la poudre de verre sur les propriétés du béton, s’apparentent essentiellement à ceux de la cendre volante de classe F. Globalement les résultats de cette étude mettent en exergue la contribution substantielle de la poudre de verre à l’amélioration de la résistance des bétons aux attaques extérieures étudiées et supportent son emploi dans les matériaux de construction. // Abstract : Recent research conducted at the Université de Sherbrooke showed that glass powder has very interesting pozzolanic properties and can thus be used as an alternative cementitious material. These investigations showed that glass powder performs better in concretes with high water-to-binder ratio (w/b) than those with low w/b ratio. Similar penetration of chloride ions was measured for concrete incorporating the same rate of glass powder but designed with w/b ratios of 0.55 and 0.40 (with binder dosages of 350 kg/m³ and 400 kg/m³, respectively), indicating good durability of this type of concrete even at higher w/b ratio. The present study investigates the durability of concrete incorporating glass powder in aggressive environments. It aims (1) to consolidate the trend previously described by extending the range of investigated w/b ratios and (2) to highlight effectiveness of the low chloride ions penetrability despite a high w/b of concretes on their resistance against aggressive external agents such as sulphates, chlorides, carbonation or corrosion. This study also examines the mechanical and microstructural properties of concretes to understand and elucidate the reaction mechanisms of the glass powder, in order to better identify its behavior in cementitious matrices. For comparison purposes, conventional supplementary materials are also included in the investigation. Several w/b ratios (0.35 ≤ w/b ≤ 0.65) were considered in a first series of concretes. The results obtained from these investigations, in terms of compressive strength, penetrability of chloride ions and water permeability, are in a good agreement with the trend previously observed for w/b=0.55 and w/b=0.40. In a second series of concretes, three w/b ratios (0.55, 0.45 and 0.40) were selected for in-depth investigations of transport properties and accelerated aging tests, i.e., carbonation and corrosion. The sulfate resistance was also evaluated on mortar specimens. The main results showed a slight increase of total porosity and gas permeability of concretes in presence of glass powder (or class F fly ash). However, water permeability and other transport properties involving chlorides are strongly reduced in presence of glass powder (or the other conventional additions). Low penetrability of concrete in presence of glass powder, regardless of the w/b ratio, was well demonstrated with results of the initiation of corrosion test induced by chloride. However, a similar positive effect of glass powder was not observed with the progression of the initial accelerated carbonation front. Moreover, concrete incorporating glass powder develops relatively low compression strength at early age (similarly as fly ash and unlike slag). However, a combination of glass powder with metakaolin provided very good synergetic effects and contributed in improving the early-age resistance. Finally, this study showed that the effects of glass powder on concrete properties are generally similar to those of class F fly ash. Overall, the results of this study highlight the significant contribution of the glass powder in improving the resistance of concrete against the external attacks and promote the large-scale use of this product in building materials.

Des détériorations importantes sont observées dans les réseaux d’assainissement en béton en raison de la présence d’hydrogène sulfuré (H2S). Différentes études ont montré qu’un environnement riche en hydrogène sulfuré entraîne, au contact de surfaces cimentaires, la sélection de bactéries sulfo-oxydantes (bactéries capables d’oxyder des composés soufrés réduits), menant à la production d’acide sulfurique. Cet acide détériore localement les réseaux par dissolution et recomposition minéralogique de la matrice cimentaire (formation de gypse et d’ettringite). Les réseaux ne collectent alors plus correctement les eaux usées et ce phénomène provoque donc des travaux de rénovation onéreux. Dans ce contexte, des solutions plus performantes que celles mises en place actuellement doivent être étudiées. L’objectif du projet FUI DURANET dans lequel s’inscrit cette thèse vise à proposer un essai accéléré et à développer un modèle.La mise en place d’essais abiotiques a permis de démontrer que cette première étape n’est pas l’étape limitante du phénomène de biodétérioration. En effet, le pH de surface des matériaux cimentaires adapté au développement microbien est rapidement atteint lorsqu’ils sont mis au contact de l’hydrogène sulfuré à une concentration élevée (100 ppm), quel que soit le matériau cimentaire considéré (mortiers à base de ciments CEM I, CEM III, CEM IV, CEM V, CAC et CSS). La modélisation de l’attaque par l’acide sulfurique et la mise en place d’un essai représentatif et accéléré ont ensuite été abordées pour prédire la durabilité des différents matériaux cimentaires de l’étude. Pour l’essai, différentes techniques d’ensemencement des microorganismes à la surface des matériaux cimentaires ont été comparées, afin de déterminer laquelle mène à la meilleure reproduction des conditions d’un réseau d’assainissement et à l’accélération des mécanismes de biodétérioration la plus importante. Ces essais permettent de préconiser l’utilisation de boues activées contenant un consortium de microorganismes, par rapport à l’utilisation de souches de collection, dont l’activité dépend trop fortement de leur adaptabilité aux conditions environnementales. L’ensemble des résultats, obtenus expérimentalement et par modélisation, montre une meilleure résistance des ciments d’aluminate de calcium et une dégradation très importante des ciments Portland face aux mécanismes mis en jeu, en accord avec les essais in-situ / Important deteriorations have been observed in concrete sewers, due to hydrogen sulfide (H2S) presence. H2S is used as nutrients for sulfur-oxidizing bacteria (bacteria able to oxidize the reduced sulfur compounds) and is oxidized into sulfuric acid. This acid attack of concrete leads to cementitious matrix dissolution and expansive products formation (gypsum and ettringite). This phenomenon disturbs the sewer system and conducts to expensive works of rehabilitation. In order to avoid this degradation, a French project named “FUI Duranet” was initiated to propose more efficient solutions. The aim of this thesis is to define a representative and accelerated test as well as a predictive model.Abiotic tests allow stating that this first stage of the biodeterioration mechanisms is not the limiting stage. Indeed, the adapted surface pH of the cementitious materials to bacteria development is quickly reached with a high H2S concentration (100 ppm), whatever the cementitious materials considered (mortars based on CEM I, CEM III, CEM IV, CEM V, CAC, and SSC cements). The chemical-transport modeling of the sulfuric acid attack of cementitious materials and the establishment of a representative and accelerated test have been proposed to predict their service life in these conditions. For the test, different seeding technics have been compared in order to determine which one lead to the better reproduction and acceleration of biodeterioration mechanisms. This test allows recommending the sludge use, which contains a microorganism’s consortium, rather than a collection strain use, whose activity is too dependent on environmental conditions. With the experimental test and the model, the better resistance of the calcium aluminate cement and the important degradation of the Portland cements are quickly confirmed, as highlighted during the field tests

Résumé : L’utilisation des cendres volantes générées par la combustion de biomasse présente une solution très prometteuse pour la conception de bétons écologiques de haute performance. Cependant, leur comportement dans un milieu cimentaire est encore peu étudié. Ce projet est concentré sur la compréhension des processus d’hydratation d’un système cimentaire contenant les cendres volantes de biomasse disponibles localement. Lors du programme expérimental, la caractérisation physico-chimique des cendres volantes étudiées a d’abord été réalisée. Ensuite, leur effet sur les propriétés rhéologiques, la cinétique d’hydratation, l’évolution des hydrates avec le temps et le développement des résistances ont été examinés. Les systèmes étudiés sont des pâtes et des mortiers avec différents taux de remplacement de ciment par les cendres volantes et deux rapports eau/liant de 0,5 et 0,4 en absence et en présence de superplastifiant. La variation des propriétés physico-chimiques de différents échantillons des cendres volantes (finesse, teneur en chaux libre, en sulfates et en calcite) a été utilisée pour déterminer l’effet de chacun de ces paramètres sur les performances des mélanges. Le remplacement partiel du ciment par les cendres volantes de biomasse entraine des changements sur la rhéologie, la cinétique d’hydratation, la composition des hydrates et la microstructure des pâtes hydratées. De plus, certains problèmes de compatibilité entre les cendres volantes et les superplastifiants sont observés. En se basant sur l’analyse des résultats obtenus, les explications des phénomènes qui se produisent dans les systèmes cimentaires contenant les cendres volantes de biomasse sont proposées. / Abstract : The use of wastepaper sludge ash (WSA) represents a very promising solution for ecological high performance concrete design. However, the effect of WSA on cementitious systems properties is still insufficiently studied. The present project intends to understand the hydration process in Portland cement systems containing locally available WSA. The experimental program begins with characterization of WSA physico-chemical properties. Then, the effect of WSA on rheology, hydration kinetics, hydration products evolution over time and strength development in cement blends is investigated. The systems discussed here are cement pastes and mortars with different cement replacement by WSA ratio and two water to binder ratio (0,5 and 0,4) with and without superplasticizer. The variation of physico-chemical properties (fineness; free lime, sulphate and calcite content) between different WSA samples was used to determine the effect of each of these parameters on blended cement performances. Partial cement replacement by WSA leads to changes in rheology, hydration kinetics, composition of the hydrates and microstructure of hydrated pastes. Moreover, some incompatibility problems between WSA and superplasticizers used are observed. Based on experimental results analysis, the explanations of the phenomena taking place in cement systems containing WSA are proposed.

Les enceintes de confinement des centrales nucléaires sont conçues pour assurer des propriétés de confinement et d'étanchéité précises en situations d'usage normal et en cas d'accident nucléaire, afin d'éviter la dissémination de radioéléments dans l'environnement. Ces enceintes étant construites en béton, la maîtrise de l'évaluation de la perméabilité du béton et de ses évolutions sous contraintes permettrait d'évaluer les débits de fuite susceptibles d'intervenir dans le temps sous certaines sollicitations. Jusqu'aujourd'hui, il existe plusieurs techniques de mesure de la perméabilité et ces techniques aboutissent à des résultats différents pour une même éprouvette de béton. La première étude que nous avons réalisée a été donc de proposer une normalisation de la mesure de la perméabilité : cette normalisation a abouti à la détermination d'une perméabilité caractéristique du béton et indépendante de la technique de mesure. Parallèlement à cette démarche, nous avons aussi proposé d'évaluer la perméabilité du béton à l'aide d'observables du Contrôle Non Destructif comme la permittivité et la résistivité électrique. Les résultats obtenus montrent la possibilité d'estimer la perméabilité dans les conditions du béton sur site. La deuxième étude réalisée est relative à la maîtrise de la perméabilité sous contraintes. Au laboratoire, nous avons étudié la perméabilité d'éprouvettes en béton de différentes tailles dans diverses conditions de séchage, de sollicitation thermique, d'endommagements mécanique et couplés. Nous avons ainsi pu établir des modèles perméabilité-endommagements en fonction de chaque source d'endommagement. La troisième étude réalisé porte sur la transposition des résultats de laboratoire au site, à travers l'utilisation de maquette d'enceinte nucléaire de dimensions plus importantes et représentatives de l'ouvrage réel (VeRCoRs à l'échelle 1/3). L'ensemble des résultats des deux premières études ont été mise à contribution et ont permis d'aboutir à des calculs des débits de fuite et des Temps d'Etablissement du Régime Permanent d'Ecoulement cohérents avec les hypothèses de calculs. / The building reactor of the nuclear power plants are designed to provide precise containment and sealing properties in normal use situations and in the event of a nuclear accident, to prevent the spread of radioelements in the environment. Since these enclosures are made of concrete, controlling the evaluation of the permeability of concrete and its evolutions under stress would make it possible to evaluate the leakage rates that may occur over time under certain conditions. Until today, there are several techniques for measuring permeability and these techniques lead to different results for the same concrete specimen. The first study we carried out was therefore to propose a standardization of the permeability measurement: this standardization resulted in the determination of a characteristic permeability of concrete and independent of the measurement technique. In parallel with this approach, we also proposed to evaluate the permeability of concrete using observables from Non-Destructive Testing such as permittivity and electrical resistivity. The results obtained show the possibility of estimating the permeability under concrete conditions on site. The second study carried out relates to the control of the permeability under constraints. In the laboratory, we investigated the permeability of concrete specimens of different sizes under various conditions of drying, thermal stress, mechanical and coupled damage. We could establish permeability-damage models according to each source of damage. The third study carried out relates to the transposition from laboratory results to the site, using nuclear power plants mock-up of larger dimensions and representative of the actual structure (VeRCoRs at scale 1/3). All the results of the first two studies have been used and have led to calculations of leak rates and Time to Reach Steady State (TRSS) consistent with the calculation assumptions.

La pollution atmosphérique urbaine pose des problèmes au niveau de l'environnement et de la santé publique pour plus de la moitié de la population mondiale. Afin de réduire la pollution de fond dans les villes, un matériau cimentaire innovant a été développé et permet de dégrader les polluants atmosphériques grâce à ses propriétés photocatalytiques induites par l'ajout de TiO2. Ce travail a porté sur la corrélation entre les propriétés physico-chimiques et l'efficacité photocatalytique d'un mortier enrichi en TiO2 lors de la dégradation de 2 composés organiques volatils (COV), le formaldéhyde et le toluène ainsi que sur un mélange d'oxydes d'azote (NOx). Le taux de présence de la surface en dioxyde de titane, le pourcentage relatif de titane et l'absorbance des photons UV par TiO2 ont été respectivement déterminés par spectroscopie Raman, microscopie électronique à balayage couplé à une analyse X et spectroscopie UV-visible par réflexion diffuse. La proportionnalité entre ces 3 grandeurs a été démontrée. L'efficacité photocatalytique des matériaux cimentaires enrichis en TiO2 a été mise en évidence pour la dégradation des 2 COV et des NOx. L'efficacité photocatalytique est reliée à la présence de TiO2 en surface ainsi qu'à la capacité de TiO2 à absorber des photons UV. La matrice cimentaire permet également, à l'obscurité, de réduire significativement la concentration en formaldéhyde. L'étude de l'influence des paramètres matériaux et environnementaux a montré l'importance de la teneur en TiO2, du flux lumineux et de l'humidité relative sur les propriétés photocatalytiques du mortier et permis de contribuer à une meilleure compréhension des réactions intervenant lors de la dégradation des polluants par un matériau cimentaire photocatalytique / More than half of the world population is exposed to urban air pollution which poses problems for the environment and human health. To reduce the background of the pollution in cities, an innovative cementitious material has been developed and used to degrade pollutants thanks to its photocatalytic properties induced by the addition of TiO2. This work was focused on the correlation between physicochemical properties and the photocatalytic efficiency of a mortar enriched with TiO2 during the degradation of two volatile organic compounds (VOCs), formaldehyde and toluene as well as a mixture of nitrogen oxides (NOx). The occurence rate of of titanium dioxide on the surface, the relative percentage of titanium and the absorptance of UV photons by TiO2, respectively, were determined by Raman spectroscopy, scanning electron microscopy coupled with X-ray analysis and UV-visible diffuse refectance spectroscopy. Proportionality between these three variables has been demonstrated. The photocatalytic efficiency of TiO2-rich cementitious materials has been demonstrated for the degradation of the 2 VOCs and also for NOx. The photocatalytic efficiency is related to the presence of TiO2 on the surface and the ability of TiO2 to absorb UV photons. The cement matrix can also, in the dark, reduced significantly the concentration of formaldehyde. The study of the influence of materials and environmental parameters showed the importance of the TiO2 content, the luminous flux and relative humidity on the photocatalytic properties of the mortar and allowed to contribute to a better understanding of the reactions occurring during the degradation of pollutants by a photocatalytic cementitious material

L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton. / Abstract : Cement manufacturing industry is one of the carbon dioxide emitting sources. The global cement industry contributes about 7% of greenhouse gas emission to the earth’s atmosphere. In order to address environmental effects associated with cement manufacturing and constantly depleting natural resources, there is necessity to develop alternative binders to make sustainable concrete. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. The performance of a cement additive depends on kinetics hydration and synergy between additions and Portland cement. In this project, two industrial by-products are investigated as alternative supplementary cementitious materials (ASCMs), non-toxic amorphous silica residue (AmSR) and wastepaper sludge ash (WSA). AmSR is by-product of production of magnesium from Alliance Magnesium near of Asbestos and Thetford Mines Cities, and wastepaper sludge ash is by-product of combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in fluidized-bed system from Brompton mill located near Sherbrooke, Quebec, Canada. The AmSR is new industrial by-products. Recently, wastepaper sludge ash has been used as cementitious materials. Utilization of these ashes as cementitious material in concrete manufacturing leads to reduce the mechanical properties of concretes. These problems are caused by disruptive hydration products of biomass fly ash once these ashes partially blended with cement in concrete manufacturing. The pre-wetting process of WSA before concrete manufacturing reduced disruptive hydration products and consequently improved concrete mechanical properties. Approaches for investigation of WSA in this project consist on characterizing regular and pre-wetted WSA, the effect of regular and pre-wetted WSA on performance of mortar and concrete. The high content of amorphous silica in AmSR is excellent potential as cementitious material in concrete. In this project, evaluation of AmSR as cementitious materials consists of three steps. Characterizing and determining physical, chemical and mineralogical properties of AmSR. Then, effect of different rates of replacement of cement by AmSR in mortar. Finally, study of effect of AmSR as partial replacement of cement in different concrete types with binary and ternary binder combinations. This study revealed that high performance concrete (HPC) incorporating AmSR showed similar mechanical properties and durability, compared to control mixture. AmSR improved mechanical properties and durability of ordinary concrete. Self-consolidating (SCC) concrete incorporating AmSR was stable, homogenous and showed good mechanical properties and durability. AmSR had good synergy in ternary binder combination with other supplementary cementitious materials (SCMs). This study showed AmSR can be use as new cementitious materials in concrete.