Les pratiques agricoles intensives produisent un compactage du sol qui influence la plupart des propriétés et des processus physiques, chimiques et biologiques du sol qui favorisent l'agrégation. Les microorganismes du sol jouent un rôle majeurs dans la structure physique du sol. Ce travail visait à (1) construire des modèles de prédiction des indices de compactage du sol, (2) mesurer l'impact des pratiques de travail du sol sur l’agrégation, (3) construire des modèles de prédiction des indices d’agrégation, et (4) mesurer la réponse de la diversité bactérienne du sol à l'agrégation et au compactage. L'ensemble de données comprend la teneur en eau gravimétrique, la masse volumique apparente, la distribution des particules, la répartition granulométrique, la masse volumique maximale, la teneur critique en eau, le carbone organique total, l'azote total, les concentrations de Si, Fe, Al, Mn, Mg et Ca dans des échantillons du sol prélevés sur 49 sites au Québec en 2014 pour élaborer les modèles de compactage et d’agrégation. Les données de 94 essais comparant les systèmes de labour conventionnel et de semis direct provenaient de 20 articles. Des échantillons de sol prélevés sur 16 fermes au Québec en 2014 ont été analysés pour diverses mesures de la diversité bactérienne et reliées au compactage et à l’agrégation. Les interactions entre les composantes impliquées dans la structure du sol ont été prises en compte dans l'analyse des données compositionnelles. Les indices de compactage du sol ont été prédits à partir de la teneur en eau du sol, de la matière organique, des particules minérales du sol et des agents de cimentation minéraux. Les résultats ont démontré que les agents de cimentation minéraux étaient les principaux contributeurs aux indices de compactage du sol. Les oxydes de Si, Al, Fe et Ca ont fait augmenter la masse volumétrique apparente, le degré de compacité et la teneur en eau critique, mais ont réduit la densité apparente maximale. La méta-analyse a démontré les avantages de la culture sous semis direct par rapport aux pratiques conventionnelles dans la couche superficielle de 0 à 5 cm, qui augmentaient 10 à 16 ans après la mise en œuvre du semis direct. L'effet du semis direct était plus important dans les sols dont le pH était supérieur à 7 et avec des cultures annuelles continues. Les sols dont les agrégats montraient une perturbation maximale inférieure à 1,27 par rapport à la déstructuration bénéficiaient davantage du semis direct. L’analyse de redondance a montré que la macro-agrégation était étroitement liée aux agents de cimentation minéraux, et légèrement liée à l'argile et à la matière organique. Le limon et le sable fin étaient positivement reliés aux micro-agrégats. Nous avons construit des modèles reliant les agents de cimentation à la distance d’Aitchison et au log-ratios isométriques, qui pourraient servir d’indices pour la stabilité des agrégats. L’agrégation des sols dans les deux couches supérieures de sol dépendait de la matière organique et des ciments minéraux. L'agrégation du sol dans la couche inférieure a été stabilisée principalement par les particules de sol et les ciments minéraux. La richesse bactérienne était liée positivement aux micro-agrégats. L'indice de diversité phylogénétique présentait une corrélation positive avec les fractions 1-0,5 mm et 2-1 mm. En plus de la richesse et de la diversité bactériennes, la structure de la communauté bactérienne a été significativement affectée par le compactage du sol. Il y avait une richesse plus importante et une diversité bactériennes plus abondante dans les sites très compactés / Intensive agricultural practices cause soil compaction which influences most soil physical, chemical and biological properties and processes promoting soil aggregation. Soil microorganisms play a decisive role in soil structure. This work aims to (1) build models to predict soil compaction indices, (2) study the impact of tillage practices on soil aggregate, (3) build models to predict soil aggregation indices, and (4) analyze the response of soil bacterial diversity to aggregation and compaction. Gravimetric water content, bulk density, particle-size distribution, aggregate-size distribution, maximum bulk density, critical water content, organic carbon, total nitrogen, Si, Fe, Al, Mn, Mg and Ca analyzed from soil samples collected on 49 farm sites in Quebec in 2014 were used to elaborate compaction and aggregation models. The dataset on the impact of tillage practices on soil aggregate consisted of 94 paired conventional tillage and no-till experiments retrieved from 20 peer-reviewed papers. The dataset for the last objective includes bacterial diversity variables, soil compaction degree and aggregate size distribution analyzed in soil samples taken from 16 farm sites in Quebec in 2014. The interactions among soil components involved in soil structure were accounted for using compositional data analysis. Compaction indices were predicted from soil water content, organic matter, soil mineral particles and mineral cementing agents. Mineral cementing agents were shown to be the major contributors to soil compaction. The Si, Al, Fe and Ca oxides increased bulk density, degree of compactness and critical water content, but reduced maximum bulk density. Meta-analysis showed that the benefit of no-till over conventional practices predominated in the surface 0-5 cm layer and increased up to 10-16 years after implementing no-tillage. The effect size of no-till was larger in soils of pH > 7 and under continuous annual cropping systems. The soil group highly responsive to no-till (soil aggregation value from maximum disruption structure below 1.27) largely benefited from no-till in the long run. Redundancy analyze indicated that macro-aggregation was closely related to mineral cementing agents and slightly related to clay and organic matter contents. Silt and fine sand were strongly and positively related to micro-aggregates. We built models relating cementing agents to the Aitchison distance and isometric log-ratio which could be used as indices of aggregate stability. Soil aggregation in the upper two layers depended on organic matter and mineral cementing agents. Soil aggregation in the lower layer was stabilized mainly by soil particles and polyvalent cations. Bacterial species richness was positively related to micro-aggregation. The phylogenetic diversity index showed a positive correlation with the 1-0.5 mm and 2-1 mm fractions. Not only bacterial richness and diversity but also bacterial community structure was significantly affected by soil compaction. Larger bacterial richness and diversity were found in soils showing the highest degree of compaction.

Le présent projet de maîtrise s’inscrit dans le cadre de la Chaire de recherche CRSNG/Hydro-Québec sur l’optimisation du cycle de vie des barrages en remblai (CRIBAR) située à l’Université Laval dans la ville de Québec au Canada. Le compactage de l’enrochement d’un barrage en remblai à noyau asphaltique est étudié. L’enrochement d’un barrage en remblai est constitué de fragments de roc de grandes dimensions. L’étude de ce matériau représente des défis dont plusieurs aspects n’ont pas trouvé de solution pour le moment. Les rouleaux compacteurs utilisés afin de compacter l’enrochement du barrage sont munis d’un système de contrôle de compactage. Le système CCC permet de s’assurer que le nombre de passes requises a été effectué et il fournit une mesure de la rigidité du sol en calculant un paramètre appelé CMV. Le système enregistre des données en temps réel lors du compactage. Pour cette recherche, il a été décidé de vérifier si ces données pouvaient être utilisées en ingénierie. Cette recherche a d’abord permis d’établir une méthode de traitement, de stockage et d’interrogation des données. Ensuite, avec l’information extraite des passes isolées, un modèle mécaniste utilisant la dynamique des sols a été mis au point afin de déterminer une relation entre CMV et modules de déformation. Ce premier modèle comportait une trop grande imprécision, car les CMV étaient très variables pour un même module de déformation. Un second modèle a donc été mis au point. Cette fois, seules les dernières passes de chaque groupe ont été utilisées, ce qui a permis d’établir une relation linéaire plus représentative entre CMV et modules de déformation en fin de compactage. Cette méthode pour déterminer les modules de déformation du sol en fin de compaction est innovante et elle peut être étendue à d’autres domaines du génie civil comme le génie routier.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Acoustique : Le Mans : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 151-156.

Dans le procédé Hall-Héroult, les produits carbonés tels que les anodes de carbone et la pâte à brasquer sont des composants essentiels du processus d'électrolyse. Ils sont produits en quantités massives le long d'une chaîne de production, dont le processus de mise en forme est l'une des étapes essentielles qui influencent la qualité finale de ces produits. Des produits de carbone bien compactés sont nécessaires pour augmenter l'efficacité du procédé d'électrolyse, diminuer la surconsommation de carbone, augmenter le rendement électrique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Ce projet a deux objectifs principaux ; le premier est d'étudier expérimentalement le comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à des charges de compactage afin d'identifier l'effet des paramètres de chargement (taux de déformation et niveau de contrainte) sur sa densification. Le second objectif est de développer une loi constitutive capable de prédire la variation de densité de la pâte de carbone tout au long des essais de compactage cycliques. La thèse débute par deux études expérimentales du comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à différents types de chargement de compactage. Tous les essais ont été réalisés en utilisant le même dispositif expérimental qui consiste en un moule à paroi mince monté sur une presse hydraulique. La pâte de carbone étant considérée comme un matériau viscoélastique dans les travaux de modélisation trouvés dans la littérature, la première étude expérimentale a commencé par une série d'essais de relaxation. Chaque essai était effectué à une densité imposée différente. La densité souhaitée pendant la relaxation a été obtenue par un précompactage monotone des échantillons. Les résultats de ces essais ont montré un comportement fortement dépendant du temps de la pâte de carbone pendant la relaxation, avec une réduction de cette dépendance pour des densités imposées plus élevées. Sur la base de ces derniers résultats, la dépendance du comportement de la pâte de carbone en fonction du temps pendant le compactage monotone a été étudiée par une série d'essais de compactage monotone avec différents taux de déplacement allant de 1 mm/s à 100 mm/s. Les résultats ont montré que lorsque le taux de déplacement est inférieur à 5 mm/s, il n'a aucun effet sur le comportement de la pâte de carbone pendant le compactage. Par contre, les échantillons qui ont été compactés avec des taux de déplacement plus élevés (50 mm/s et 100 mm/s) ont montré une capacité de densification plus faible que les échantillons compactés avec des taux de déplacement plus faibles, sachant qu'ils ont tous été soumis au même niveau de contrainte maximale. Ensuite, le comportement de la pâte de carbone soumise à des essais de compactage cyclique a été étudié. Plus précisément, l'effet de l'amplitude maximale de déplacement a été déterminé en effectuant une série de tests de compactage cyclique avec des amplitudes maximales de déplacement allant de 0,25 mm à 2 mm. Les résultats de ces tests ont révélé que la contrainte maximale requise pour atteindre la densité cible est plus faible lorsque l'amplitude de déplacement est plus faible. De plus, un comportement de durcissement des échantillons a été observé dès le début de chaque cycle et passe à un comportement de ramollissement lorsque la densité de l'échantillon pendant le cycle en cours atteint une valeur égale à la densité maximale enregistrée lors du cycle précédent. La première étude expérimentale a été terminée par une série de tests de vibrocompactage avec une amplitude de contrainte maximale constante de 1 MPa, chaque test étant effectué à une fréquence différente allant de 0,1 Hz à 7 Hz. Ces tests ont mis en évidence l'effet de la fréquence, montrant que plus la fréquence augmente, plus il faut de cycles pour atteindre la densité cible. En outre, des tests de rigidité effectués sur les échantillons qui ont été vibrocompactés pour atteindre la densité cible ont montré qu'ils avaient tous la même rigidité finale, quelle que soit la fréquence utilisée pendant le vibrocompactage. Pour étudier l'effet de l'amplitude de contrainte maximale, de la vitesse de déformation et du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone soumise à des chargements cycliques, une deuxième étude expérimentale a été réalisée. Cette deuxième étude a commencé par une série d'essais de compactage cyclique, chaque essai étant effectué à une amplitude de contrainte maximale différente allant de 0,5 MPa à 1,5 MPa. Chaque essai avec une contrainte maximale définie a été effectué trois fois à différents taux de déplacement (1 mm/s, 5 mm/s et 10 mm/s). L'effet de la contrainte maximale et de la vitesse de déplacement sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation et sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles a été examiné. Les résultats ont montré que le taux de déplacement n'avait aucun effet sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation ni sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du numéro du cycle. D'autre part, en observant la pente de la courbe contrainte-déformation, on a constaté que deux échantillons de même densité et soumis à des contraintes maximales différentes pendant le compactage n'ont pas la même rigidité. Une rigidité plus faible est trouvée pour les échantillons compactés avec des contraintes plus élevées. En ce qui concerne l’effet du numéro du cycle sur la rigidité de la pâte de carbone, les échantillons qui ont été compactés avec des contraintes maximales différentes et soumis au même nombre de cycles, ont la même rigidité (c'est-à-dire la pente des courbes de contrainte-déformation) malgré le fait qu'ils ont chacun une densité différente. Une deuxième série d'essais de compactage a été réalisée pour examiner l'effet du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone lors d'essais de compactage cyclique. Pour cela, deux séries d'essais cycliques ont été réalisées, les essais de chaque série ayant la même amplitude de contrainte maximale (série 1 : MPa, série 2 : 1,5 MPa), mais des contraintes minimales différentes allant de 0,1 MPa à 0,5 MPa. La comparaison des résultats des essais réalisés avec la même contrainte maximale a montré que les essais avec une amplitude de contrainte minimale plus faible présentaient une déformation permanente plus importante en fonction du nombre de cycles. Enfin, une étude numérique basée sur les résultats des études expérimentales 1 et 2 a été réalisée. Une loi constitutive basée sur la théorie de la plasticité endochronique couplée à l’élasticité non linéaire a été choisie pour représenter le comportement indépendant du temps de la pâte de carbone soumise à une compaction cyclique. Des modifications ont été appliquées à la théorie originale endochronique pour prendre en compte le changement majeur de la densité de la pâte de carbone qui conduit à des changements significatifs dans les propriétés élastiques de la pâte et sa capacité à subir des déformations permanentes pendant la compaction cyclique. Ensuite, les paramètres de la loi constitutive développée ont été identifiés à partir des résultats de la deuxième étude expérimentale. Des simulations numériques d'essais cycliques avec plusieurs niveaux de contrainte maximale ont été réalisées. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été montré, ce qui confirme la capacité de la théorie endochronique à prédire l'évolution de la densité de la pâte de carbone pendant le chargement cyclique. / In the Hall-Héroult process, carbon products such as carbon anodes and ramming paste are essential components of the electrolysis process. They are produced in massive quantities along a production line, of which the shaping process is one of the essential steps that influence the final quality of these products. Well compacted carbon products are required to increase the efficiency of the electrolysis process, to decrease carbon overconsumption, to increase electrical efficiency, and to decrease greenhouse gas emissions. This project has two main objectives, the first is to investigate experimentally the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to compaction loadings in order to identify the effect of loading parameters (strain rate and stress level) on its densification. The second objective is to develop a constitutive behaviour law that is able to predict the density variation of the carbon paste throughout cyclic compaction tests. The thesis starts with two experimental studies of the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to different compaction loadings. All the tests were carried out using the same experimental set-up which consists of a thin-walled mould mounted on a hydraulic press. As carbon paste is considered a viscoelastic material in the modelling works found in the literature, the first experimental study started with a series of relaxation tests, each test being performed at a different imposed density. The desired density during relaxation was obtained by monotone pre-compaction of the paste. The results of these tests showed a highly timedependent behaviour of the carbon paste during relaxation, with a reduction in this dependence at higher imposed densities. Driven by these latter results, the dependence of the carbon paste behaviour on time during monotone compaction was investigated by a series of monotone compaction tests with different displacement rates ranging from 1mm/s to 100 mm/s. The results showed that when the displacement rate is less than 5 mm/s, it has no effect on the behaviour of the carbon paste during the compaction. On the other hand, the samples that were compacted with higher displacement rates (50 mm/s and 100 mm/s) showed a lower capacity of densification than the samples compacted with lower displacement rates, even though they were all subjected to the same level of maximum stress. Afterwards, the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic compaction tests was studied. Specifically, the effect of the maximum displacement amplitude was determined by performing a series of cyclic compaction tests with maximum displacement amplitudes ranging from 0.25 mm to 2 mm. The results of these tests revealed that the maximum stress required to achieve the target density is lower when the displacement amplitude is lower. Furthermore, a hardening behaviour of the samples was observed from the start of each cycle which changes to a softening behaviour when the sample density during the current cycle reaches a value equal to the maximum density recorded in the previous cycle. The first experimental study was completed with a series of vibro-compaction tests with a constant maximum stress amplitude of 1 MPa, with each test performed at a different frequency ranging from 0.1 Hz to 7 Hz. These tests have highlighted the effect of frequency, showing that as frequency increases more cycles are required to reach the target density. In addition, stiffness tests carried out on samples that were vibro-compacted to reach the target density have shown that they all have the same final stiffness regardless of the frequency used during vibro-compaction. To study the effect of the maximum stress amplitude, the strain rate, and the unloading level on the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic loadings a second experimental study was done. The second experimental study started by a series of cyclic compaction tests with each test performed at a different maximum stress amplitude ranging from 0.5 MPa to 1.5 MPa. Each test with a definite maximum stress was performed three times at different displacement rates (1 mm/s, 5 mm/s, and 10 mm/s). The effect of the maximum stress and the displacement rate on the shape of the stress-strain hysteresis and on the evolution of the permanent deformation in function of the cycle number were examined. The results showed that the displacement rate had no effect on the shape of the stress-strain hysteresis nor on the evolution of the permanent deformation as a function of the number of cycles. On the other hand, by observing the slope of the stress-strain curve, it was found that two samples with the same density and subjected to different maximum stresses during compaction do not have the same stiffness, as lower stiffness is found for the samples compacted with higher stresses. Furthermore, samples that have been compacted with different maximum stresses but have been subjected to the same number of cycles have the same stiffness (i.e., slope of stress-strain curves) despite the fact that they each have a different density. A second series of compaction tests was carried out to examine the effect of the level of unloading on the behaviour of the carbon paste under cyclic compaction tests. To this end, two series of cyclic tests were carried out, with the tests in each series having the same maximum stress amplitude (series 1: MPa, series 2: 1.5 MPa) but different minimum stresses ranging from 0.1 MPa to 0.5 MPa. Comparison of the results of the tests carried out with the same maximum stress showed that the tests with a lower minimum stress amplitude showed a higher permanent deformation as a function of the number of cycles. Finally, a numerical study based on the results of experimental studies 1 and 2 was done. A constitutive behaviour law based on the endochronic plasticity theory coupled with non-linear elasticity was chosen to represent the time-independent behaviour of carbon paste subjected to cyclic compaction. Modifications have been applied to the original endochronic theory to take into account the major change in the density of the carbon paste which leads to significant changes in the elastic properties of the paste and its ability to undergo permanent deformations during cyclic compaction. Afterwards, the parameters of the developed constitutive law were identified from the results of the second experimental study and numerical simulations of cyclic tests with several levels of maximum stress were made. A good agreement between the experimental and numerical results was shown which confirms the ability of the endochronic theory to predict the evolution of carbon paste density during cyclic loading.

Dans le procédé Hall-Héroult, les produits carbonés tels que les anodes de carbone et la pâte à brasquer sont des composants essentiels du processus d'électrolyse. Ils sont produits en quantités massives le long d'une chaîne de production, dont le processus de mise en forme est l'une des étapes essentielles qui influencent la qualité finale de ces produits. Des produits de carbone bien compactés sont nécessaires pour augmenter l'efficacité du procédé d'électrolyse, diminuer la surconsommation de carbone, augmenter le rendement électrique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Ce projet a deux objectifs principaux ; le premier est d'étudier expérimentalement le comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à des charges de compactage afin d'identifier l'effet des paramètres de chargement (taux de déformation et niveau de contrainte) sur sa densification. Le second objectif est de développer une loi constitutive capable de prédire la variation de densité de la pâte de carbone tout au long des essais de compactage cycliques. La thèse débute par deux études expérimentales du comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à différents types de chargement de compactage. Tous les essais ont été réalisés en utilisant le même dispositif expérimental qui consiste en un moule à paroi mince monté sur une presse hydraulique. La pâte de carbone étant considérée comme un matériau viscoélastique dans les travaux de modélisation trouvés dans la littérature, la première étude expérimentale a commencé par une série d'essais de relaxation. Chaque essai était effectué à une densité imposée différente. La densité souhaitée pendant la relaxation a été obtenue par un précompactage monotone des échantillons. Les résultats de ces essais ont montré un comportement fortement dépendant du temps de la pâte de carbone pendant la relaxation, avec une réduction de cette dépendance pour des densités imposées plus élevées. Sur la base de ces derniers résultats, la dépendance du comportement de la pâte de carbone en fonction du temps pendant le compactage monotone a été étudiée par une série d'essais de compactage monotone avec différents taux de déplacement allant de 1 mm/s à 100 mm/s. Les résultats ont montré que lorsque le taux de déplacement est inférieur à 5 mm/s, il n'a aucun effet sur le comportement de la pâte de carbone pendant le compactage. Par contre, les échantillons qui ont été compactés avec des taux de déplacement plus élevés (50 mm/s et 100 mm/s) ont montré une capacité de densification plus faible que les échantillons compactés avec des taux de déplacement plus faibles, sachant qu'ils ont tous été soumis au même niveau de contrainte maximale. Ensuite, le comportement de la pâte de carbone soumise à des essais de compactage cyclique a été étudié. Plus précisément, l'effet de l'amplitude maximale de déplacement a été déterminé en effectuant une série de tests de compactage cyclique avec des amplitudes maximales de déplacement allant de 0,25 mm à 2 mm. Les résultats de ces tests ont révélé que la contrainte maximale requise pour atteindre la densité cible est plus faible lorsque l'amplitude de déplacement est plus faible. De plus, un comportement de durcissement des échantillons a été observé dès le début de chaque cycle et passe à un comportement de ramollissement lorsque la densité de l'échantillon pendant le cycle en cours atteint une valeur égale à la densité maximale enregistrée lors du cycle précédent. La première étude expérimentale a été terminée par une série de tests de vibrocompactage avec une amplitude de contrainte maximale constante de 1 MPa, chaque test étant effectué à une fréquence différente allant de 0,1 Hz à 7 Hz. Ces tests ont mis en évidence l'effet de la fréquence, montrant que plus la fréquence augmente, plus il faut de cycles pour atteindre la densité cible. En outre, des tests de rigidité effectués sur les échantillons qui ont été vibrocompactés pour atteindre la densité cible ont montré qu'ils avaient tous la même rigidité finale, quelle que soit la fréquence utilisée pendant le vibrocompactage. Pour étudier l'effet de l'amplitude de contrainte maximale, de la vitesse de déformation et du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone soumise à des chargements cycliques, une deuxième étude expérimentale a été réalisée. Cette deuxième étude a commencé par une série d'essais de compactage cyclique, chaque essai étant effectué à une amplitude de contrainte maximale différente allant de 0,5 MPa à 1,5 MPa. Chaque essai avec une contrainte maximale définie a été effectué trois fois à différents taux de déplacement (1 mm/s, 5 mm/s et 10 mm/s). L'effet de la contrainte maximale et de la vitesse de déplacement sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation et sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles a été examiné. Les résultats ont montré que le taux de déplacement n'avait aucun effet sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation ni sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du numéro du cycle. D'autre part, en observant la pente de la courbe contrainte-déformation, on a constaté que deux échantillons de même densité et soumis à des contraintes maximales différentes pendant le compactage n'ont pas la même rigidité. Une rigidité plus faible est trouvée pour les échantillons compactés avec des contraintes plus élevées. En ce qui concerne l'effet du numéro du cycle sur la rigidité de la pâte de carbone, les échantillons qui ont été compactés avec des contraintes maximales différentes et soumis au même nombre de cycles, ont la même rigidité (c'est-à-dire la pente des courbes de contrainte-déformation) malgré le fait qu'ils ont chacun une densité différente. Une deuxième série d'essais de compactage a été réalisée pour examiner l'effet du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone lors d'essais de compactage cyclique. Pour cela, deux séries d'essais cycliques ont été réalisées, les essais de chaque série ayant la même amplitude de contrainte maximale (série 1 : MPa, série 2 : 1,5 MPa), mais des contraintes minimales différentes allant de 0,1 MPa à 0,5 MPa. La comparaison des résultats des essais réalisés avec la même contrainte maximale a montré que les essais avec une amplitude de contrainte minimale plus faible présentaient une déformation permanente plus importante en fonction du nombre de cycles. Enfin, une étude numérique basée sur les résultats des études expérimentales 1 et 2 a été réalisée. Une loi constitutive basée sur la théorie de la plasticité endochronique couplée à l'élasticité non linéaire a été choisie pour représenter le comportement indépendant du temps de la pâte de carbone soumise à une compaction cyclique. Des modifications ont été appliquées à la théorie originale endochronique pour prendre en compte le changement majeur de la densité de la pâte de carbone qui conduit à des changements significatifs dans les propriétés élastiques de la pâte et sa capacité à subir des déformations permanentes pendant la compaction cyclique. Ensuite, les paramètres de la loi constitutive développée ont été identifiés à partir des résultats de la deuxième étude expérimentale. Des simulations numériques d'essais cycliques avec plusieurs niveaux de contrainte maximale ont été réalisées. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été montré, ce qui confirme la capacité de la théorie endochronique à prédire l'évolution de la densité de la pâte de carbone pendant le chargement cyclique. / In the Hall-Héroult process, carbon products such as carbon anodes and ramming paste are essential components of the electrolysis process. They are produced in massive quantities along a production line, of which the shaping process is one of the essential steps that influence the final quality of these products. Well compacted carbon products are required to increase the efficiency of the electrolysis process, to decrease carbon overconsumption, to increase electrical efficiency, and to decrease greenhouse gas emissions. This project has two main objectives, the first is to investigate experimentally the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to compaction loadings in order to identify the effect of loading parameters (strain rate and stress level) on its densification. The second objective is to develop a constitutive behaviour law that is able to predict the density variation of the carbon paste throughout cyclic compaction tests. The thesis starts with two experimental studies of the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to different compaction loadings. All the tests were carried out using the same experimental set-up which consists of a thin-walled mould mounted on a hydraulic press. As carbon paste is considered a viscoelastic material in the modelling works found in the literature, the first experimental study started with a series of relaxation tests, each test being performed at a different imposed density. The desired density during relaxation was obtained by monotone pre-compaction of the paste. The results of these tests showed a highly time-dependent behaviour of the carbon paste during relaxation, with a reduction in this dependence at higher imposed densities. Driven by these latter results, the dependence of the carbon paste behaviour on time during monotone compaction was investigated by a series of monotone compaction tests with different displacement rates ranging from 1 mm/s to 100 mm/s. The results showed that when the displacement rate is less than 5 mm/s, it has no effect on the behaviour of the carbon paste during the compaction. On the other hand, the samples that were compacted with higher displacement rates (50 mm/s and 100 mm/s) showed a lower capacity of densification than the samples compacted with lower displacement rates, even though they were all subjected to the same level of maximum stress. Afterwards, the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic compaction tests was studied. Specifically, the effect of the maximum displacement amplitude was determined by performing a series of cyclic compaction tests with maximum displacement amplitudes ranging from 0.25 mm to 2 mm. The results of these tests revealed that the maximum stress required to achieve the target density is lower when the displacement amplitude is lower. Furthermore, a hardening behaviour of the samples was observed from the start of each cycle which changes to a softening behaviour when the sample density during the current cycle reaches a value equal to the maximum density recorded in the previous cycle. The first experimental study was completed with a series of vibro-compaction tests with a constant maximum stress amplitude of 1 MPa, with each test performed at a different frequency ranging from 0.1 Hz to 7 Hz. These tests have highlighted the effect of frequency, showing that as frequency increases more cycles are required to reach the target density. In addition, stiffness tests carried out on samples that were vibro-compacted to reach the target density have shown that they all have the same final stiffness regardless of the frequency used during vibro-compaction. To study the effect of the maximum stress amplitude, the strain rate, and the unloading level on the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic loadings a second experimental study was done. The second experimental study started by a series of cyclic compaction tests with each test performed at a different maximum stress amplitude ranging from 0.5 MPa to 1.5 MPa. Each test with a definite maximum stress was performed three times at different displacement rates (1 mm/s, 5 mm/s, and 10 mm/s). The effect of the maximum stress and the displacement rate on the shape of the stress-strain hysteresis and on the evolution of the permanent deformation in function of the cycle number were examined. The results showed that the displacement rate had no effect on the shape of the stress-strain hysteresis nor on the evolution of the permanent deformation as a function of the number of cycles. On the other hand, by observing the slope of the stress-strain curve, it was found that two samples with the same density and subjected to different maximum stresses during compaction do not have the same stiffness, as lower stiffness is found for the samples compacted with higher stresses. Furthermore, samples that have been compacted with different maximum stresses but have been subjected to the same number of cycles have the same stiffness (i.e., slope of stress-strain curves) despite the fact that they each have a different density. A second series of compaction tests was carried out to examine the effect of the level of unloading on the behaviour of the carbon paste under cyclic compaction tests. To this end, two series of cyclic tests were carried out, with the tests in each series having the same maximum stress amplitude (series 1: MPa, series 2: 1.5 MPa) but different minimum stresses ranging from 0.1 MPa to 0.5 MPa. Comparison of the results of the tests carried out with the same maximum stress showed that the tests with a lower minimum stress amplitude showed a higher permanent deformation as a function of the number of cycles. Finally, a numerical study based on the results of experimental studies 1 and 2 was done. A constitutive behaviour law based on the endochronic plasticity theory coupled with non-linear elasticity was chosen to represent the time-independent behaviour of carbon paste subjected to cyclic compaction. Modifications have been applied to the original endochronic theory to take into account the major change in the density of the carbon paste which leads to significant changes in the elastic properties of the paste and its ability to undergo permanent deformations during cyclic compaction. Afterwards, the parameters of the developed constitutive law were identified from the results of the second experimental study and numerical simulations of cyclic tests with several levels of maximum stress were made. A good agreement between the experimental and numerical results was shown which confirms the ability of the endochronic theory to predict the evolution of carbon paste density during cyclic loading.

Le présent projet vise l’étude des techniques de mise en place et du comportement mécanique en déformation permanente des matériaux de type MR5 produits par le retraitement en place des chaussées. Une revue exhaustive des guides et méthodes de mise en place a été effectuée. L’usage d’un rouleau compacteur vibrant de type pieds-de-mouton est généralement recommandé pour ces travaux et n’est toutefois pas utilisé au Québec, lors de chantier de retraitement en place. Un volet in situ du projet a permis d’étudier l’effet de ce rouleau sur le compactage d’un matériau de type MR5 et MG20, de nature granitique, par le biais de planches de référence. Ce rouleau a été comparé avec un rouleau lisse standard et un gain a été observé au niveau de l’atteinte d’une densité élevée en fond de couche. Il a aussi été observé que l’usage du rouleau en mode vibratoire procure une performance de compactage très supérieure par rapport à un compactage sans vibration. Des essais au simulateur de chargement routier de l’Université Laval ont permis d’observer la sensibilité à la déformation permanente plus élevée du matériau MR5, par rapport à un matériau usuel de fondation de type MG20. Aussi, il a été observé lors de ces essais que la présence d’un gradient vertical de densité engendre une réduction de la durée de vie d’une chaussée, principalement lorsqu’une contrainte de surface élevée est appliquée. De plus, un programme d’essais triaxiaux a permis d’observer l’effet considérable d’un faible niveau de compacité ou de la présence d’une zone sous-densifiée en fond de couche sur l’accumulation et le taux de déformation permanente d’un matériau granulaire de fondation. Ces essais ont aussi permis d’étudier la sensibilité plus élevée d’un matériau recyclé MR5, de nature granitique, par rapport à un matériau recyclé comparable, de nature calcaire.

Les ouvrages qui utilisent le sol compacte comme matériau de construction nécessitent d'un contrôle du compactage pendent le processus de compaction in situ. Généralement, ce contrôle est fait par essais normalises bases sur les valeurs de teneur en eau et de masse volumique du sol. Pour arriver à ces valeurs, les essais de contrôle sont soit couteux et dangereux ou bien ils demandent beaucoup de temps. Dans ce projet de maîtrise, une méthodologie simple de contrôle du compactage du sol in situ a été développée. Cette nouvelle méthodologie est fondée sur la lecture d'une sonde de teneur en eau enfoncée à la superficie du sol à analyser. La lecture est prise rapidement a I'aide d'un appareil portatif concis lie a la sonde. Une courbe de calibration est préparée en laboratoire particulièrement pour le sol en question et utilisée pour convertir la lecture de la sonde en teneur en eau volumique. Avec I'aide d'équations connues de la géotechnique, la teneur en eau volumique est transformée en masse volumique et conséquemment en teneur en eau massique. Ce mémoire de maîtrise présente le développement, la comparaison avec d'autres méthodes et l'application in situ et en laboratoire de cette méthodologie développée, dans un premier temps pour trois sols de caractéristiques géotechniques différentes. L'analyse des résultats de la méthodologie proposée est accomplie par comparaison avec d'autres méthodes de contrôle du compactage.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le compactage des sols agricoles affecte négativement les performances des cultures et devrait être évité grâce à des stratégies de gestion des sols appropriées. Les recherches antérieures montrent un manque d'études complètes sur l'impact des différents niveaux de compactage du sol sur les propriétés hydrodynamiques. Cette étude s'est concentrée sur l'effet du compactage sur les propriétés hydrodynamiques du sol dans des conditions non saturées et saturées en utilisant le système Hydraulic Property Analyzer (HYPROP). Nous avons étudié l'impact de cinq niveaux de compactage sur des échantillons de sol de sable limoneux prélevés dans un champ de pommes de terre dans les régions agricoles du nord du Québec, au Canada, en utilisant quatre répétitions par niveau. Tout d'abord, la conductivité hydraulique saturée de chaque échantillon a été mesurée en utilisant la méthode de la charge constante. Les données relatives à la courbe de rétention d'eau du sol (CRS) et à la conductivité hydraulique non saturée ont été obtenues à l'aide de l'appareil de mesure de l'évaporation HYPROP et d'un potentiomètre à point de rosée WP4C. Seize modèles hydrauliques de sol du logiciel HYPROP-Fit ont été simulés. Nos résultats soutiennent l'application de la variante Peters-Durner-Iden (PDI) du modèle bimodal sans contrainte de van Genuchten (VGm-b-PDI) pour l'estimation complète du CES sur la base de la métrique de l'erreur quadratique moyenne (EQM). Le modèle VGm-b-PDI a été implémenté dans le logiciel HYDRUS-1D pour calculer la quantité d'irrigation pour différents niveaux de compactage et fournir des estimations plus précises des propriétés hydrauliques du sol. Nous avons simulé des scénarios de compactage et d'irrigation du sol avec le modèle de double porosité et les résultats ont indiqué que le compactage du sol peut fortement influencer les propriétés hydrauliques du sol de différentes manières. La conductivité saturée et non saturée diminue avec l'augmentation du compactage du sol. À un niveau modéré de compactage, la quantité d'irrigation pour la culture de pommes de terre était optimale. Dans l'ensemble, la méthodologie combinée d'HYPROP et d'HYDRUS 1D a donné d'excellents résultats en termes de comportement hydraulique des sols compactés. / Agricultural soil compaction adversely affects crop performance and should be avoided through appropriate soil management strategies. Previous research shows a lack of comprehensive studies on the impact of different levels of soil compaction on hydrodynamic properties. This study focused on the effect of compaction on soil hydrodynamic properties under unsaturated and saturated conditions using the Hydraulic Property Analyzer (HYPROP) system. We studied the impact of five compaction levels on silty sand soil samples taken from a potato field in the northern agricultural regions of Quebec, Canada, using four replicates per level. First, the saturated hydraulic conductivity of each sample was measured using the constant-load method. Soil water retention curve (SWRC) and unsaturated hydraulic conductivity data were obtained using the HYPROP evaporation measurement device and a WP4C dew point potentiometer. Sixteen hydraulic soil models in the HYPROP-Fit software were simulated. Our results support the application of the Peters-Durner-Iden (PDI) variant of van Genuchten's bimodal unconstrained model (VGm-b-PDI) for full SWRC estimation based on the root mean square error (RMSE) metric. The VGm-b-PDI model was implemented in HYDRUS-1D software to calculate the amount of irrigation for different compaction levels and provide more accurate estimates of soil hydraulic properties. We simulated soil compaction and irrigation scenarios with the dual-porosity model and the results indicated that soil compaction can strongly influence soil hydraulic properties in different ways. Saturated and unsaturated conductivity decreases with increasing soil compaction. At a moderate level of compaction, the amount of irrigation for potato cultivation was optimal. Overall, the combined methodology of HYPROP and HYDRUS 1D gave excellent results in terms of the hydraulic behavior of compacted soils.

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