La réaction alcalis-silice (RAS), une réaction chimique entre certaines phases minérales siliceuses des granulats et les hydroxydes alcalins de la solution interstitielle du béton, fait partie des processus affectant la durabilité des infrastructures en béton. Au cours des dernières années, plusieurs méthodes ont été développées afin d’évaluer l’état actuel et le potentiel de détérioration future de bétons atteints de RAS. Parmi celles-ci, les méthodes pétrographiques du Damage Rating Index (DRI) et de l’Analyse d’Image (AI) sur plaques polies imprégnées à la résine époxyde fluorescente possèdent le potentiel de devenir des outils diagnostiques du degré d’endommagement du béton affecté par la RAS, paramètre critique lors de la sélection des méthodes de réfection des structures affectées. Ce projet consiste à développer une approche d’analyse pétrographique semi-quantitative de l’état d’endommagement de bétons affectés par la RAS par une combinaison de l’AI et du DRI. Pour ce faire, le niveau d’endommagement microstructural de bétons incorporant différents types de granulats réactifs a été évalué par ces deux méthodes et les résultats analysés de façon critique.

Parmi les aciers, les alliages Fe-Mn-C présentent un meilleur compromis entre une forte résistance à la traction (Rm  1000 MPa) et une bonne ductilité (A(%) 40%) dû à un mode de déformation basé à la fois sur le glissement de dislocations et un maclage intense (effet TWIP). À cette combinaison de propriétés mécaniques s’ajoute le fait que les alliages Fe-Mn-C ne sont pas résistants à la corrosion surtout dans un environnement riche en ions chlorure (Cl-), ce qui fait d’eux des matériaux potentiellement utilisables pour des applications de stents biodégradables. En effet, la tendance à la corrosion de ces alliages pourrait être exploitée efficacement pour des applications biomédicales. Cependant le contrôle de la dégradation reste un élément primordial pour les métaux biodégradables. Étant à l’origine conçus pour l’industrie de l’automobile il n’existe aucun standard ni protocole pour effectuer les tests de dégradation in-vitro pour cette catégorie d’alliages. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement à la dégradation in-vitro d’alliages Fe-Mn-C à effet TWIP dans différentes solutions pseudo-physiologiques dans des conditions semblables au comportement du matériau une fois implanté dans l’artère. Étant donné que lors du déploiement, le matériau utilisé comme stent subit une déformation plastique, et qu’une fois déployé, sa dégradation dans l’artère se fait dans un environnement riche en CO2, l’étude a également porté sur l’influence de la déformation plastique ainsi que l’effet d’un environnement riche en CO2 sur la vitesse de dégradation. Les résultats obtenus montrent que le pourcentage de déformation plastique n’a pas d’influence significative sur la vitesse de dégradation. Par contre, le pourcentage de Mn dans l’alliage, la présence d’une atmosphère riche en CO2, la nature et la quantité d’ions présents dans les solutions pseudo-physiologiques ou encore la présence de protéines telle que l’albumine ont une grande influence sur la nature des produits de dégradation formés ainsi que la vitesse de dégradation des alliages Fe-Mn-C. / Among steels, Fe-Mn-C alloys achieve the best compromise between high ultimate strength (UTS1000 MPa) and good ductility ((%)  40%) with a deformation mode based on both the dislocations glide and twinning induced plasticity effect (TWIP effect). At this combination of mechanical properties it can be add the fact that Fe-Mn-C alloys are low corrosion resistant in rich chloride ions (Cl-) environment. This good combination of mechanical and low corrosion properties makes them potentially useful materials for biodegradable stents applications. In fact their tendency to be low corrosion resistant can be exploited efficiently for biomedical applications by controlling their degradation behavior. However, Fe-Mn-C alloys are initially designed for the automotive industry in order to get lighter body metals which are able to absorb energy in case of impact. So there is no standard or protocol to perform in-vitro degradation tests for this class of alloys for use as biodegradable stents. This thesis was therefore devoted to studying the degradation behavior of some Fe-Mn-C alloys with TWIP effect in pseudo-physiological solutions. When deploying the stent into arteries they undergo severe plastic deformation, and once deployed, degradation occurs in a CO2-rich environment, therefore this study also examined the influence of plastic deformation and CO2 gas pressure effect on the degradation behavior in order to have experimental conditions that are closer to what happens in the artery. The results obtained show that the plastic deformation has no significant effect on the degradation rate, on the other hand the percentage of Mn, the presence of CO2 partial pressure, the presence and quantities of carbonate and phosphate ions in the solution or the presence of albumin have a great influence on the formation of degradation products and therefore the degradation rate of the Fe-Mn-C alloys.

Dans un contexte ou l'efficacité lumineuse est une priorité, les lampadaires à diodes électroluminescentes (DEL) sont une source de lumière de premier choix. Bien que plus coûteuses que les autres sources, elles offrent, en plus d'une grande efficacité, une longue durée de vie, ce qui en fait une option très intéressante à long terme. Comme toutes les autres sources de lumière, elles subissent par contre une dégradation lumineuse, qui diminue leur flux lumineux ainsi que leur efficacité. Afin de mieux contrôler cette dégradation lumineuse, des stratégies d'alimentation électrique peuvent être utilisées. Deux de ces stratégies sont le contrôle de courant et le contrôle de chaine, la première faisant varier le courant et la deuxième le nombre de DEL allumées. Pour étudier et comparer ces deux stratégies, un modèle mathématique a été développé et un programme de simulation a été conçu. Les résultats ont permis de constater qu'en plus de garder un flux lumineux plus constant, les stratégies d'alimentation électrique peuvent augmenter l'efficacité lumineuse et la durée de vie d'un lampadaire à DEL ou diminuer le nombre de DEL nécessaire, diminuant ainsi le coût initial.

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

Ce travail porte sur la dégradation sous vieillissement photochimique et thermique du MDMO-PPV et du PCBM en présence et en absence d'oxygène. En photo-oxydation, le processus de dégradation du MDMO-PPV provoque la déconjugaison du polymère. Les résultats obtenus nous ont permis de proposer un mécanisme de dégradation dont l'amorçage a été attribué à l'anion superoxyde. En absence d'oxygène, l'éclairement provoque aussi la saturation des doubles liaisons mais avec une vitesse beaucoup plus faible (facteur 1000 environ). Concernant le mélange MDMO-PPV : PCBM, les deux constituants se dégradent simultanément. La présence de PCBM dans la couche active contribue à l'amélioration de la stabilité du polymère principalement grâce à ses propriétés " piège à radicaux". En photo-oxydation la dégradation du polymère est ralentie d'un facteur 15 et en photolyse les modifications de structure chimique restent minimes après 3700 heures de vieillissement artificiel accéléré

Le dioxyde de titane, composé minéral très utilisé dans les produits cosmétiques de protection solaire, est depuis peu incorporé sous forme de nanoparticules, ce qui suscite des interrogations sur les risques sanitaires induits. Nous avons élaboré un protocole d’émulsions huile-dans-eau permettant l’incorporation de nanoparticules de TiO2 à différents pourcentages (2,5-10%) et présentant deux traitements de surface hydrophobes distincts : un coating hybride isopropyl titanium triisostearate / triethoxycaprylylsilane et un coating triethoxycaprylylsilane. L’incorporation des nanoparticules permet de conserver la structure microscopique de l’émulsion et dans le même de temps de renforcer les propriétés rhéologiques. Les analyses physico-chimiques ont montré que l'état de floculation initial des émulsions est coating-dépendant. A 50°C, les émulsions se déstabilisent au cours du temps jusqu’à une agrégation très marquée des nanoparticules, et ce moins rapidement pour le coating hybride. Les formulations avec et sans nanoparticules sont légèrement cytotoxiques, avec un effet plus marqué pour les fortes concentrations en TiO2 et après vieillissement de 40 jours à hautes températures. Nous avons démontré que l’état de surface des nanoparticules extraites des formulations est modifié au cours du vieillissement par une adsorption de certains constituants de l’émulsion à la surface des nanoparticules. Ces nanoparticules modifiées sont plus cytotoxiques que les nanoparticules brutes. Les mécanismes de vieillissement induisent donc la libération de résidus de nanomatériaux plus toxiques que leur état initial, et pourraient conduire à un risque sanitaire pour l'homme l'environnement. / Titanium dioxide, the most commonly used mineral compound in cosmetic sunscreen products, has recently been incorporated in the form of nanoparticles, which raises health issues. We have developed a protocol of oil-in-water emulsions that enables the incorporation of different amount (2.5-10%) of TiO2 nanoparticles coated with two distinct hydrophobic surface treatments: an isopropyl titanium triisostearate / triethoxycaprylylsilane hybrid coating and a triethoxycaprylylsilane coating. The incorporation of nanoparticles preserves the microscopic structure of the emulsion while enhancing the rheological properties. Physico-chemical analyses showed that the initial state of flocculation of the emulsions is coating-dependant. At 50°C, emulsions destabilize over time until a strong aggregation of nanoparticles, in a delayed way for the hybrid coating. Formulations with and without nanoparticles appear slightly cytotoxic, with an enhanced effect for high amount of TiO2 and for a 40 days aging at high temperatures. We have shown that the surface of nanoparticles extracted from the formulations has been modified during aging, due to an adsorption of chemicals of the emulsion to the nanoparticle surface. Such modified nanoparticles become more cytotoxic if compared to raw nanoparticles. Aging mechanisms can therefore release nanomaterials residues with an increased toxic activity compared to their initial state, and thus could lead to health hazard for humans and for the environment.

Dans la région de Trois-Rivières, de nombreuses résidences ont été construites sur une fondation de béton incorporant des granulats riches en sulfures de fer, notamment de la pyrrhotite et de la pyrite. Plus de trois cents échantillons ont été prélevés au sein de seize fondations de maisons montrant différents degrés d’endommagement, de très faible à très élevé, afin de les analyser et de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes en cause. Plusieurs types d’essais pétrographiques, mécaniques et chimiques ont ainsi été effectués sur ces échantillons, tant sur le terrain qu’en laboratoire. Le suivi de l’expansion et du développement de la fissuration sur des blocs prélevés au sein de fondations résidentielles a permis de démontrer le potentiel résiduel d’endommagement du béton lorsque soumis aux conditions climatiques naturelles. De plus, les résultats des travaux effectués sur les blocs suggèrent que la méthode de l’indice de fissuration est un bon outil du suivi l’évolution de l’endommagement du béton. Finalement, les résultats des travaux effectués en laboratoire suggèrent que le Damage Rating Index et le Stiffness Damage Test ont la capacité de quantifier l’état d’endommagement des bétons détériorés fabriqués avec des granulats incorporant des sulfures de fer. / In the Trois-Rivières area, many houses were built on a concrete foundation made with aggregates containing large amounts of iron sulfides, such as pyrrhotite and pyrite. To allow for a better understanding of the oxidation mechanism, more than three hundred samples were extracted from sixteen foundations, showing different degrees of damage. A variety of petrographic, mechanical and chemical tests were conducted on these samples, in the laboratory as well as in the field. The monitoring of the development of expansion and cracking in the concrete blocks taken from residential foundations demonstrated a potential for residual concrete deterioration when exposed to natural environmental conditions. Furthermore, results of experiments performed on the blocks suggest that the cracking index method is a good indicator of the evolution of damage. Finally, laboratory testing suggests that the Damage Rating Index and the Stiffness Damage Test can potentially quantify damage suffered by deteriorated concrete made with aggregates incorporating iron sulfide minerals.

La réaction alcalis-granulat (RAG) fait partie des principaux processus affectant la durabilité des infrastructures en béton à travers le monde. Récemment, des chercheurs ont proposé un outil global de gestion (diagnosis et prognosis) de structures affectées par la RAG basé sur une série d’essais de laboratoire, incluant le Stiffness Damage Test (SDT) et le Damage Rating Index (DRI), des procédures micromécaniques d’évaluation de l’endommagement du béton. Quoique prometteurs, ces essais impliquent plusieurs paramètres dont l’impact n’est pas encore bien compris, ce qui réduit leur applicabilité à une vaste gamme de bétons (e.g. différentes formulations, types de mécanismes d’endommagement, variétés de granulats, etc.). Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre le mécanisme par lequel la RAG se développe et comment elle influence les propriétés physicomécaniques des bétons affectés, afin de pouvoir utiliser efficacement les outils mentionnés précédemment dans les contextes pratiques d’ingénierie. Pour atteindre cet objectif, des éprouvettes de béton de différentes résistances (25-45 MPa) et incorporant une variété de granulats réactifs et non réactifs (fins et grossiers) ont été fabriquées en laboratoire. Des essais mécaniques (SDT, traction, compression et module d’élasticité) et microscopiques (DRI) ont ensuite été effectués sur ces éprouvettes, à différents niveaux d’expansion, de façon à favoriser le caractère diagnostique optimal de chaque outil. Puis, le couplage micromécanique des résultats a été étudié en profondeur. Les résultats démontrent que le SDT et le DRI permettent une évaluation diagnostique de l’endommagement associable à la RAG lorsqu’un certain nombre de paramètres critiques sont respectés. Les données optimales de sortie de ces essais sont ainsi basées sur des mesures « mécaniques » (énergie dissipée/déformation plastique, valeurs brutes ou indices relatifs) ou microstructurales (nombre/type de fissures) au sein des bétons affectés. En plus, un modèle microstructural qualitatif de l’endommagement de bétons en fonction de l’avancement de la RAG a été proposé. De même, le couplage micromécanique a permis d’expliquer efficacement l’influence de ce mécanisme sur les pertes de propriétés mécaniques de bétons affectés. Finalement, une charte permettant l’évaluation globale de l’endommagement de bétons affectés par la RAG est proposée. Mots clés: Réaction alcalis-granulat (RAG), couplage microscopique/mécanique, évaluation de l’endommagement des infrastructures en béton vieillissantes. / Alkali-aggregate reaction (AAR) is one of the main processes affecting the durability of concrete infrastructures worldwide. Recently, researchers proposed a comprehensive management tool for the diagnosis and prognosis of AAR affected structures based on a series of laboratory test procedures, including the Stiffness Damage Test (SDT) and the Damage Rating Index (DRI), micromechanical procedures for assessing damage in concrete. Although promising, these tests still have several parameters whose impact is not well understood, which reduces significantly their applicability for a wide range of distressed concretes (i.e. different concrete mix designs, damage mechanisms, variety of aggregate types, etc). This PhD project aims at better understanding how AAR develops and influences the physicomechanical properties of affected concrete, in order to use more effectively the tools mentioned previously in practical engineering applications. To achieve this goal, concrete samples of different mix design strenghts (25-45 MPa) incorporating a wide variety of both reactive and non-reactive aggregates (coarse and fine) were manufactured in the laboratory. Mechanical (SDT, tensile and compressive strengths and modulus of elasticity) and microscopic (DRI) tests were then performed on these samples at different expansion levels, in order to determine the optimal conditions enabling the effective diagnostic character through each tool. Then, the micromechanical coupling of the results was studied in depth. The results show that both the SDT and the DRI are able to provide a diagnostic damage assessment of concrete distressed due to AAR when a number of critical parameters are adopted. The optimal output data from those procedures are thus based on either "mechanical" (dissipated energy/ plastic deformation, absolute values or indices) or microstructural (number /crack types) measurements on the affected material. Moreover, a qualitative microscopic damage model towards AAR development was proposed. Likewise, the above micromechanical coupling allowed to effectively explaining the impact of AAR on the reductions of the mechanical properties of affected concretes. Finally, a comprehensive chart enabling the overall damage assessment of concrete affected by AAR is proposed. Keywords: alkali-aggregate reaction (AAR), microscopic/mechanical coupling, assessment of damage in aging concrete infrastructure.

Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l'oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d'eau et d'oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l'acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d'abord, la fiabilité de l'approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST, % en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu'une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d'être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d'autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d'oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l'expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d'oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d'évaluer quantitativement le potentiel d'oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d'oxygène dans la partie supérieure d'un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d'oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d'oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d'épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d'oxygène consommé. Finalement, un protocole d'évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d'oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d'un plus large éventail de granulats. / In the Trois-Rivières area (Quebec, Canada), more than 1 000 houses and commercial buildings are showing serious concrete deterioration problems. The deterioration problems are related to the oxidation of sulfide-bearing aggregates used for concrete manufacturing. This PhD project aims to better understand the mechanisms responsible for the deterioration of concrete incorporating sulfide-bearing aggregates in order to develop a methodology to efficiently evaluate the potential reactivity of such types of aggregates. A detailed petrographic examination of core samples extracted from concrete house foundations showing various degrees of severity was carried out. The problematic aggregate was identified as an hypersthene’s gabbro incorporating various proportions (according to different locations in the two originating quarries) of pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite and pentlandite. Secondary reaction products observed in degraded core samples include “rust” mineral forms, gypsum, ettringite and thaumasite. For those observations, it was concluded that, in presence of water and oxygen, pyrrhotite oxidizes to form iron oxyhydroxides and sulfuric acid that provokes a sulfate attack in concrete. First, the reliability of the chemical approach proposed in the European Standards NF EN 12 620, which consists in the measurement of the total sulfur content (ST, % by mass) in the aggregate to detect the presence (or not) of iron sulfide minerals, was critically evaluated. About 50% (21/43) of the aggregate materials tested, representing a variety of rock types / lithologies, showed a ST > 0.10%, showing that a significant proportion of rock types does contain a noticeable amount of sulfide, which for most of them, are likely to be innocuous in concrete. Such rock types / aggregates would however require further testing to identify the potential presence of pyrrhotite considering the ST limit of 0.10% proposed in European standards. Based on extensive literature reviews and laboratory investigations, a two-phase accelerated mortar bar expansion test was then developed to reproduce, in the laboratory, the deterioration mechanisms observed on site. The test consists in 90 days of storage at 80°C/80% RH, with 2 three-hour wetting cycles per week in a 6% sodium hypochlorite (bleach) solution (Phase I) followed by up to 90 days of storage at 4°C/100% RH (Phase II). Aggregates with oxidation potential presented an expansion over 0.10% during Phase 1, while thaumasite formation potential is detected by rapid regain of expansion followed by destruction of the samples during Phase II. Also, an oxygen consumption test was modified from research carried out in the context of acid rock drainage, to quantitatively assess the sulfide oxidation potential of concrete aggregates. The technique measures the oxygen consumption rate at the top of a closed cylinder containing a layer of compacted material to determine its oxidation potential. Optimized testing parameters include an aggregate particle size inferior to 150 μm at 40% saturation, a ratio of 10 cm of aggregate material thickness for 10 cm headspace and 3 hours testing at 22ᵒC. The results thus obtained showed that the test is able to discriminate the aggregates containing iron sulfide minerals from the control aggregates with a threshold limit fixed at 5% oxygen consumed. Finally, an assessment protocol was proposed to evaluate the potential deleterious effects of iron sulfide bearing aggregates when used in concrete. The protocol is divided into 3 major phases: (1) total sulfur content measurement, (2) oxygen consumption evaluation, and (3) an accelerated mortar bar expansion test. Tentative limits are proposed for each phase of the protocol, which still need to be validated through the testing of a wider range of aggregates.

Cette étude porte sur la durabilité photochimique de biocomposites constitués de matrices polymère biodégradables et de charges bois. Elle a permis de mettre en relief l'influence de différents paramètres comme la nature de la matrice ou de la charge sur la photostabilité des matériaux. Trois matrices ont été utilisées : le PLA, un PBAT : l'Ecoflex, et un mélange des deux : l'Ecovio. Le bois a été incorporé dans les matrices sous forme de poudre de différents diamètres. Du peuplier et du pin sylvestre ont été étudiés. Et l'effet d'un traitement thermique des bois, appelé rétification, a été observé sur les propriétés des composites. Le photovieillissement des matériaux a été réalisé en conditions naturelles et en conditions accélérées. Des mécanismes de photooxydation ont été proposés pour chacun des matériaux à partir de l'évolution des propriétés viscoélastiques traduisant celle de la structure macromoléculaire.