Les crises liées à la dégradation de l'environnement et à la diminution des ressources naturelles renforcent la nécessité de prolonger la durée de vie de tout matériau résiduel ou sous-produit indésirable dans les systèmes de production et de consommation. Dans ce contexte, l'idée de développer de nouveaux catalyseurs en utilisant des déchets solides industriels est un sujet émergent, qui s'inscrit bien dans le concept de développement durable. D'autre part, en raison des progrès rapides de la technologie, de l'industrie et de l'information, l'offre en énergie sera difficilement capable de répondre à la demande mondiale croissante. L'importance de fournir cette énergie de manière durable afin de rencontrer les objectifs des efforts mondiaux de lutte contre les changements climatiques a renforcé l'intérêt pour le développement de biocarburants hydrocarbonés renouvelables tels que le biodiesel. Au cours des dernières décennies, avec la croissance de la production de biodiesel, le monde a été confronté à un excédent de glycérol comme sous-produit résiduel provenant du processus de production commun de transestérification. Afin de réduire l'impact environnemental négatif de cet excédent de glycérol et d'accroître la rentabilité de l'industrie du biodiesel, ce déchet devrait être impliqué dans une économie circulaire environnementale et durable. De récentes recherches ont démontré qu'il existe un grand potentiel pour l'utilisation du glycérol résiduel du biodiesel dans le secteur des énergies renouvelables. Il est possible d'y parvenir par divers procédés, notamment la gazéification, la pyrolyse, la combustion, la liquéfaction et le reformage à la vapeur. Parmi ceux-ci, le reformage à la vapeur est considéré comme l'une des méthodes les plus prometteuses pour convertir le glycérol en hydrogène (en tant que vecteur d'énergie verte et matière première essentielle dans les raffineries et les industries chimiques), car sa mise à l'échelle industrielle ne nécessiterait pas de modifications importantes des infrastructures de reformage du gaz naturel existantes. Compte tenu de l'importance de ces enjeux, cette thèse se penche sur le développement de nouveaux catalyseurs par la valorisation d'un résidu solide métallurgique (UGSO) pour la production d'hydrogène (syngas) via le reformage à la vapeur de glycérol (GSR). Plus précisément, les trois principaux objectifs de cette étude sont les suivants: (i) l'étude du potentiel de l'UGSO comme support/promoteur pour catalyseurs à base de Ni (Ni-UGSO), (ii) l'analyse approfondie de l'effet des paramètres de synthèse du catalyseur (charge de métal actif et méthode de préparation) sur les propriétés physico-chimiques et la performance du catalyseur, ainsi que l'étude de l'effet de la température de réaction en examinant le rôle des principales réactions secondaires dans le réseau réactionnel du procédé reformage (y compris les réactions de water-gas shift (WGS), de Boudouard, de méthanisation du CO et du CO₂, et la réaction inverse de WGS), et (iii) la comparaison des caractéristiques structurelles et de la performance catalytique du Ni-UGSO avec celles des catalyseurs à base de métaux nobles(Ru-UGSO et Rh-UGSO) reconnus comme hautement efficaces dans les procédés de reformage à la vapeur. (i) Le catalyseur préparé par l'incorporation de 12,5 % massique de Ni dans l'UGSO a été évalué pour l'application dans le procédé de GSR dans des conditions opératoires spécifiques suggérées comme optimales par l'analyse thermodynamique (T=580 °C, P=1 bar, et S/C=3). En comparant avec un catalyseur commercial de reformage à la vapeur à base de Ni, les résultats furent prometteurs, notamment en termes de formation de coke. Les principales propriétés intéressantes du catalyseur Ni-UGSO ont été suggérées comme étant : (i) la dispersion et l'ancrage des particules de Ni par la formation d'oxydes mixtes nickel-fer ainsi que nickel-magnésium, (ii) l'absence de phases métalliques libres par la formation d'alliages Ni-Fe après un prétraitement de réduction, et (iii) le caractère basique de l'UGSO dû à la présence d'oxydes tels que MgO, CaO, K₂O et MnO, qui pourrait favoriser l'adsorption dissociative de l'eau et la réaction de WGS. Ces résultats ont prouvé la capacité de l'UGSO promu par le Ni à agir comme un puissant catalyseur dans le procédé de GSR. (ii) Les résultats d'une étude détaillée sur les effets des paramètres de synthèse sur la performance du catalyseur Ni-UGSO ont révélé que la meilleure performance catalytique GSR a été obtenue en incorporant 5 % massique de Ni par la méthode d'imprégnation à l'état solide (SSI-5%Ni-UGSO), où des oxydes mixtes nickel-fer avec un rapport Ni/Fe optimal (comme NiFe₂O₄) et des oxydes mixtes nickel-magnésium riches en Mg (comme 3MgO.NiO) ont été formés. La performance supérieure du catalyseur SSI-5%Ni-UGSO optimisé est principalement due à (i) l'effet synergique entre le Ni et les espèces d'oxyde de fer partiellement réduites sur les sites actifs Ni-Fe[indice x]O[indice y] (plutôt que les alliages métalliques Ni et/ou NiFe) où le glycérol est activé sur les espèces Ni et les atomes d'oxygène sont fournis à l'intermédiaire carboné à partir du Fe[indice x]O[indice y] voisin, et (ii) aux propriétés fondamentales du MgO en contact étroit avec le Ni, qui favorise la dissociation de l'eau en groupes hydroxyle et aide à gazéifier les précurseurs de coke déposés sur la surface du catalyseur. Pour des températures supérieures à 580 °C, des conversions presque complètes du glycérol en produits gazeux ont été obtenues avec le catalyseur SSI-5%Ni-UGSO dans les conditions opératoires choisies (S/C=3, FI=1.1, GHSV=10,966 cm³ (STP) gcat⁻¹ h⁻¹). Un rendement en H₂ plus élevé (80.7 %) et une très faible formation de coke (0.59 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat])⁻¹) sont des avantages de l'opération à 580 °C en favorisant la réaction WGS, tandis que l'augmentation de la température à 730 °C permet de supprimer presque entièrement la formation de coke (0.18 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat])⁻¹) principalement en limitant la réaction de Boudouard, avec l'inconvénient d'un rendement en hydrogène plus faible (59.4 %). (iii) Les résultats d'une étude exhaustive sur la performance des catalyseurs UGSO promus au M (M= 1%Ru, 1%Rh, 5%Ni) ont révélé que la tendance du métal incorporé à interagir avec les oxydes contenant du Mg/Fe déjà existants dans l'UGSO joue un rôle crucial (i) dans la disponibilité de surface du métal correspondant, (ii) les changements structurels après réduction et (iii) la stabilité du catalyseur. En plus d'offrir une meilleure stabilité, le catalyseur 5% Ni-UGSO a montré une performance (conversion du glycérol en produits gazeux de 100% et rendement en H₂ de 74%) comparable à celle de 1% Rh-UGSO (100% et 78%, respectivement) ou même dépassant celle de 1% Ru-UGSO (94% et 71%, respectivement), en tant que catalyseurs à base de métaux nobles. Une coopération synergique entre les métaux incorporés (M) et les espèces contenant du Fe/Mg au sein de l'UGSO a permis d'améliorer l'activation du glycérol et de l'eau. Les résultats plus faibles observés pour Ru-UGSO pourraient s'expliquer par un manque de propension à l'interaction MgO-RuO₂ sur la surface de l'UGSO. Compte tenu du prix nettement inférieur du Ni par rapport au Rh (1/5526 du prix moyen du Rh en 2018), un rendement en hydrogène légèrement supérieur (78 contre 74 %) et une différence insignifiante dans la formation de coke (0 contre 0,01 g[indice coke] h⁻¹ gcat⁻¹) ne justifient pas économiquement l'utilisation du catalyseur 1 % Rh-UGSO à la place de 5 % Ni-UGSO. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse prouvent la capacité de l'UGSO comme support/promoteur prometteur dans la formulation de catalyseurs actifs, sélectifs, stables et rentables pour la production d'hydrogène via le procédé de GSR, spécialement en raison de(i) la présence d'oxydes (principalement des oxydes de magnésium et de fer) reconnus pour leur capacité à éviter la formation de carbone (la principale cause de désactivation du catalyseur dans le reformage à la vapeur des hydrocarbures oxygénés) et (ii) sa structure cristalline de type spinelle avec des cations métalliques échangeables distribués de manière homogène, qui peut fournir une bonne matrice pour la dispersion de métaux actifs conduisant à une coopération synergique entre les particules de métaux actifs incorporées (en particulier le Ni, très accessible et bon marché) et les autres constituants déjà présents dans l'UGSO. De telles approches, dans lesquelles les déchets industriels issus de divers procédés sont utilisés ensemble pour des applications environnementales, sont non seulement cohérentes avec les concepts d'écologie industrielle et de développement durable, mais sont également classées comme le niveau le plus sophistiqué de valorisation des déchets. / The crises related to the environmental degradation and shrinking natural resources reinforces the necessity of extending the life of any residual material or unwanted by-product in the production and consumption systems. In this context, the idea of developing new catalysts using industrial solid wastes is an emerging topic, which aligns well with the concept of sustainable development. On the other hand, due to the rapid technological, industrial, and informational advancements, the energy supply will not be able to keep up with the growing demand. The importance of supplying this energy in a sustainable manner in order to meet the goals of global efforts to combat climate change has heightened interest in the development of renewable hydrocarbon biofuels such as biodiesel. Over the last few decades, with the growth in biodiesel production, the world has faced a surplus of glycerol as a waste by-product of its common production process through transesterification. To reduce the negative environmental impact of this excess glycerol and to make the biodiesel industry profitable, this waste should contribute to a sustainable environmental circular economy. Recent research has indicated that there is a great potential for the use of biodiesel waste glycerol in the renewable energy sector. This can be achieved through a variety of processes including gasification, pyrolysis, combustion, liquefaction, and steam reforming. Among them, catalytic steam reforming is considered as one of the most promising methods for converting glycerol into hydrogen (as a green energy carrier and a critical feedstock in refineries and chemical industries), since its industrial scale-up would not necessitate significant changes to existing natural gas reforming infrastructure. Given the importance of these issues, this thesis focuses on the development of new catalysts through valorization of a metallurgical solid residue (UGSO) for hydrogen (syngas) production via steam reforming of biodiesel waste glycerol (GSR). More specifically, the three main objectives of our work include:(i) investigating the potential of UGSO as a support/promoter for Ni-based catalysts, (ii) performing a thorough investigation on the effect of catalyst synthesis parameters (active metal loading and catalyst preparation method) on both physicochemical properties and catalyst performance, as well as studying the effect of operating temperature by examining the role of the main side reactions in the reaction network (including water gas shift (WGS), Boudouard, CO and CO₂ methanation, and reverse WGS reactions), and finally (iii) comparing the structural characteristic and catalytic performance of the optimized Ni-UGSO with noble metal based catalysts (Ru-UGSO and Rh-UGSO) with well-known high efficiency for steam reforming process. (i) The catalyst prepared by the incorporation of 12.5 wt % Ni into UGSO was evaluated for application in GSR process at specific operating conditions suggested as optimum by thermodynamic analysis (T=580 °C, P=1 bar, and S/C=3). By comparing with a Ni-based commercial steam reforming catalyst, the results were very promising especially in terms of coke formation. The main reasons for the interesting properties of Ni-UGSO catalyst were suggested to be: (i) the dispersion and anchoring of Ni particles by formation of nickel-iron as well as nickel-magnesium mixed oxides, (ii) the lack of free metallic phases through the formation of Ni-Fe alloys after reduction pre-treatment, and (iii) the basic characteristic of UGSO due to the presence of oxides such as MgO, CaO, K₂O and MnO, which could promote dissociative adsorption of water and boost WGS reaction. These results proved the capability of Ni promoted UGSO to act as a powerful GSR catalyst. (ii) The results of a detailed study on the effects of synthesis parameters on the performance of Ni-UGSO catalyst revealed that the best GSR performance was achieved by incorporating 5 wt % Ni via solid-state impregnation method (SSI-5%Ni-UGSO), where nickel-iron mixed oxides with an optimum Ni/Fe ratio (such as NiFe₂O₄) and Mg-rich nickel-magnesium mixed oxides (such as 3MgO.NiO) were formed. The superior performance of the optimized SSI-5%Ni-UGSO catalyst is mainly due to (i) the synergic effect between Ni and partially reduced iron oxide species on the Ni-Fe[indice x]O[indice y] active sites (rather than metallic Ni and/or NiFe alloys) where glycerol is activated on the Ni species and the oxygen atoms are provided to the carbonaceous intermediate from the neighboring Fe[indice x]O[indice y], and (ii) the basic properties of MgO in close contact with Ni, which promotes the dissociation of water into hydroxyl groups and helps to gasify the coke precursors deposited on the catalyst surface. For temperatures above 580 °C, almost complete glycerol conversions to gaseous products were obtained over SSI-5%Ni-UGSO catalyst in the selected operating conditions (S/C=3, FI=1.1, GHSV=10,966 cm³ (STP) gcat⁻¹ h⁻¹). Higher H₂ yield (80.7%) and very low coke formation (0.59 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat)⁻¹) are the advantages of working at 580 °C by favoring the WGS reaction, whereas increasing temperature to 730 °C allows to almost suppress coke formation (0.18 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat])⁻¹) mainly by limiting the Boudouard reaction, with the drawback of a lower hydrogen yield (59.4%). (iii) The results of a comprehensive study on the performance of M-promoted (M=1%Ru, 1%Rh, 5%Ni) UGSO catalysts (M-UGSO) for GSR process revealed that the tendency of incorporated metal to interact with Mg/Fe containing oxides already exist in UGSO, plays a crucial role in the surface availability of the corresponding metal, structural changes after reduction, and catalyst stability. Aside its best stability, 5% Ni-UGSO showed a performance (glycerol conversion to gaseous products of 100% and H₂ yield of 74%) comparable with 1% Rh-UGSO (100% and 78%, respectively) or even surpassing that of 1% Ru-UGSO (94% and 71%, respectively), as noble metal-based catalysts. Synergistic cooperation was achieved by incorporated metals(M) and Fe/Mg containing species within UGSO, resulting in enhanced glycerol and water activation. The weakest results of Ru-UGSO could be explained by a lack of proclivity for MgO-RuO₂ interaction on UGSO surface. Regarding the significantly lower price of Ni compared to Rh (1/5526 of the average price of Rh in 2018), as lightly higher hydrogen yield (78 vs. 74%) and trivial difference in coke formation (0 vs. 0.01 g[indice coke] h⁻¹ g[indice cat]⁻¹) does not economically justify the use of 1% Rh-UGSO instead of the affordable 5% Ni-UGSO. In conclusion, the results presented in this thesis proved the capability of UGSO as a promising support/promoter in the formulation of active, selective, stable, and cost-effective catalysts for hydrogen production via GSR process, owing to (i) the presence of oxides (mainly magnesium and iron oxides) recognized for their ability to avoid carbon formation(the main cause of catalyst deactivation in the steam reforming of oxygenated hydrocarbons), and (ii) the spinel crystalline structure with homogeneously distributed exchangeable metal cations that can provide a good pattern for active metal dispersion, leading to a synergic cooperation between the incorporated active metal particles (especially Ni with high availability and low price) and the other constituents of UGSO. Such approaches, in which industrial wastes from various processes are used together for environmental applications, are not only consistent with the concepts of industrial ecology and sustainable development but are also classified as the most sophisticated level of waste valorization.

Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP. / The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.

Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP. / The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.

Les principaux objectifs étaient d'évaluer la stabilité de l'environnement des scories métallurgiques de Cu résultant de différentes périodes d'activités industrielles et de différentes technologies de fusion. Parmi les scories étudiées, on retrouve: les scories historiques cristallines (SH) ainsi que modernes: les scories de four vertical (SFS), les scories granulées (GS) et les scories de plomb (LS). Les différentes approches adoptées dans ce travail de thèse ont tenu compte de: i) la composition chimique et la phase minérale des scories, ii) la sensibilité à la lixiviation des scories sous l’exposition à différentes conditions de pH en mode statique, iii) l’altération des scories sous exposition aux acides organiques couramment trouvés dans l'environnement du sol, iv ) la bio-altération des scories par les bactéries (Pseudomonas aeruginosa) et v) l’application future de la récupération des métaux provenant des scories étudiées en mettant en œuvre la méthode de lixiviation biologique. Résultats cruciaux: Les résultats des tests de lixiviation dépendant du pH ont montré une libération de métal plus élevée dans des conditions fortement acides (pH 2 et 4), alors que la lixiviation dans des conditions alcalines (pH 10.5) était moins importante pour toutes les scories analysées. L'effet de l’altération par le sol a été démontré, la dissolution des scories est notamment sensible à la présence d'exsudats racinaires artificiels (ARE), d’acides humiques (HA) et d’acides fulviques (FA), la contribution des ARE étant la plus forte. Selon les données recueillies, la dissolution relative des scories est strictement liée à leurs caractéristiques (composition chimique et minéralogique) en fonction des différentes conditions étudiées. L'étude concernant l’effet de l’altération biologique a révélé que Pseudomonas aeruginosa améliore considérablement la libération des éléments majeurs (Si et Fe) et métalliques (Cu, Zn, Pb) par rapport aux effets des facteurs abiotiques, indépendamment de la chimie et de la structure des scories. En outre, une récupération élevée (jusqu'à 90%) des métaux (Cu, Zn, Fe) pourrait être obtenue grâce à la lixiviation avec Acidithiobacillus thiooxidans dans des conditions de laboratoire. Conclusions générales : La stabilité des scories dans l'environnement dépend à la fois des caractéristiques chimiques et de la minéralogie. Cependant, les phases minérales hébergeant les métaux sont les facteurs les plus déterminants concernant l'intensité de la lixiviation des métaux. Pour cette raison, l'examen individuel du comportement des scories est important pour empêcher la contamination de l'environnement et devrait être considéré comme une priorité pour la gestion durable des scories. L’optimisation des paramètres de fonctionnement pour le biolessivage et le développement de la technologie à l'échelle industrielle pourrait permettre une bien meilleure gestion (voir l’exploitation) des scories métallurgiques de Cu / Problem statement: Copper pyrometallurgical slags are inevitable waste by-products of Cu smelting operations. These waste are considered to be important due to their production volume and high residual metal content that are inefficiently recovered during industrial process. Due to the lack of sustainable practices in the past, tremendous volumes of Cu-slags have been disposed in many industrial districts, regardless of the weathering and associated environmental risk. Consequently, there are many areas where slags have been proven to be a source of metallic pollution for the surrounding environment. At the present time, the outstanding contradiction between the sustainable development and environmental pollution encourages to undertake the action regarding this aspect. For this reason, slags are currently being used as supplementary materials for civil engineering purposes (e.g. cement and concrete additives, road bed filling materials, hydraulic construction materials) rather than disposed. Additionally, modern-day management strategies require slags to be thoroughly evaluated with respect to their environmental stability prior undertaking any reuse action. Main objectives were to evaluate environmental stability of Cu-metallurgical slags resulting from different periods of industrial activities and different smelting technologies. Those included: historical crystalline slag (HS) as well as modern: shaft furnace slag (SFS), granulated slag (GS) and lead slag (LS). Different approaches undertaken in this PhD work considered: i) chemical and mineral phase compositions of slags, ii) leaching susceptibility of slags under exposure to different pH-stat conditions, iii) slags weathering under exposure to organic acids commonly found in soil environment, iv) bacterially (Pseudomonas aeruginosa) mediated weathering of slags and v) future application of studied slags for metal recovery by implementing the bioleaching method. Crucial results: The results of the pH-dependent leaching tests showed a higher metal release in strong acidic conditions (pH 2 and 4), whereas leachability at alkaline conditions (pH 10.5) revealed a lower importance for all the slags analyzed. The study considering soil weathering scenario demonstrated that Cu-slags are susceptible to dissolution in the presence of artificial root exudates (ARE), humic (HA) and fulvic acids (FA), whereby ARE were found to have stronger contribution than HA and FA. According to data collected, the different behavior of individual slags is strictly related to their characteristics (chemical and phase composition) reflecting various susceptibilities to dissolution under the investigated conditions. The study considering bio-weathering scenario revealed that Pseudomonas aeruginosa considerably enhances the release of major (Si and Fe) and metallic (Cu, Zn, Pb) elements compared to the effects of abiotic factors, regardless of the slags chemistry and structure. Furthermore, a high gain (up to 90%) of metals (Cu, Zn, Fe) could be credited to bioleaching with Acidithiobacillus thiooxidans under laboratory conditions. General conclusions: The environmental stability of slags depends on both, their bulk chemistry and mineralogy. However, mineral phases harbouring the metals are the key players in metal leachability intensity. For, this reason consideration of individual slags behaviour is important for preventing environmental contamination and should be regarded as priority branch of sustainable slag management. Optimization of operating parameters for bioleaching following development of industrial scale technology is an incentive scheme for future management of Cu-metallurgical slags