Les bétons alcali-activés à base de laitiers de haut-fourneau et de cendres volantes offrent une alternative à plus faible empreinte écologique au béton de ciment portland. Ainsi, ces bétons dits alcali-activés utilisent des précurseurs à base d’aluminosilicate qui se veulent souvent des résidus industriels en remplacement complet du ciment portland. Ces nouveaux bétons sont des alternatives intéressantes aux bétons usuels, mais le manque de données sur leur durabilité est un frein majeur à leur utilisation. Le but de cette recherche doctorale est d’évaluer la durabilité de ces bétons quant à leur performance aux cycles de gel-dégel, à la résistance à l’écaillage en présence de sels déglaçants, aux changements volumétriques et face à la réaction alcalis-silice. La présence de microfissures en bas âge dans la matrice durcie des bétons alcali-activés résulte vraisemblablement du phénomène de retrait endogène. La quantification de cette microfissuration précoce a été possible via l’application de la méthode d’analyse du Damage Rating Index (DRI) qui a permis de mettre en évidence qu'une augmentation croissante de la teneur en cendres volantes du précurseur se traduit par une diminution de l’ampleur de cette microfissuration. La taille moyenne des pores mesurée des systèmes alcali-activés étudiés est inférieure aux valeurs des systèmes à base de ciment portland et la concentration élevée en ions sodium de la solution interstitielle font augmenter les tensions de surface générées dans les pores lors du phénomène d’autodesiccation. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes de ces travaux ne montrent aucun endommagement après 300 cycles de gel-dégel (Procédure ASTM C 666) avec ou sans l’utilisation d’un agent entraineur d’air. Ces mêmes bétons n’offrent toutefois pas une performance acceptable face à l’écaillage en présence de sels déglaçants avec des masses moyennes écaillées largement supérieures à la limite BNQ de 0,5 kg/m². La présence de microfissures, le ressuage, le lessivage des alcalis et la carbonatation en surface sont trois phénomènes observés qui peuvent expliquer les piètres performances à l’écaillage en présence de sels déglaçants. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes offrent différents niveaux de performance face à la réaction alcalis-silice en fonction de la teneur en cendres volantes (20, 30 et 40 %). Une augmentation de la fraction de cendres volantes se traduit par une diminution de l’expansion pour tous les différents granulats réactifs testés. Les bétons alcali-activés laitiers/CV incorporant des granulats réactifs (réactivité moyenne à extrême) montrent des endommagements allant de négligeables à marginaux après 2 ans (CSA A23.2-14A/28A). / Alkali-activated slag and fly ash-based concretes offer a low environmental footprint alternative to conventional portland cement-based concretes. These new materials use aluminosilicate-based precursors that are mostly industrial by-products in replacement of portland cement. To initiate the dissolution of these precursors and the subsequent cohesive paste formation, a highly alkaline solution is needed as activator. Although promising in terms of mechanical properties and chemical attack resistance, more research is needed to validate their long-term durability. Therefore, the main objective of this doctoral research is to evaluate the durability of alkali-activated slag/fly ash concretes regarding volumetric variations, freeze-thaw cycling, surface scaling in presence of deicing salts and alkali-aggregate reactivity. The presence of early-age microcracking in the hardened alkali-activated paste phase of these concretes seems to result mostly from the phenomenon of autogenous shrinkage. The quantification of this early-age microcracking through the Damage Rating Index (DRI) method showed that increasing fly ash contents in alkali-activated slag/fly ash systems results in decreasing values of DRI. When compared to portland cement-based systems, alkali-activated slag/fly ash systems show lower average pore sizes and higher sodium concentrations in their pore solution which both increase the surface tensions generated by self-desiccation. The alkali-activated slag/fly ash concretes of this study show no significant damage when exposed to 300 freeze-thaw cycles (ASTM C 666 Procedure) with or without the use of an air entraining admixture. However, these concretes offer poor performance when exposed to de-icing salts (in freeze-thaw conditions) with average scaling masses largely over the 0.50 kg/m² BNQ limit. Earlyage microcracking, alkali leaching and surface carbonation were observed on all the tested specimens and could explain the overall poor performance of these concretes to surface scaling in presence of de-icing salts. The performance of alkali-activated slag/fly ash concretes with regards to alkalis-silica reaction in the presence of reactive aggregates is mostly influenced by the fly ash content (20, 30 and 40 %). For all the tested reactive aggregates, increasing the fly ash content results in decreasing expansion values. Petrographic examinations (DRI) following the expansion testing confirms the presence of negligible to marginal damage after 2 years of testing in these concretes when incorporating moderately to extremely reactive aggregates.

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

Nous avons étudié le vieillissement thermooxydant de films de polypropylène isotactique (iPP) dans l'intervalle de température 70-150°C par des méthodes classiques (spectrométrie IR, essai de traction) et moins courantes (mesure de masse molaire), voire relativement nouvelles (travail essentiel de rupture EWF). Il apparaît que le polymère, initialement fortement ductile, adopte un comportement fragile (en traction) alors que le phénomène d'oxydation est encore indétectable par IR. Cette fragilisation, correspondant à une localisation de la déformation plastique, apparaît comme une conséquence d'un processus de coupure de chaîne de type aléatoire : la transition ductile-fragile se manifeste lorsque la masse molaire en poids atteint une valeur critique M'C=200 kg/mol, ce qui est compatible avec les données disponibles sur des échantillons vierges de masse molaire variable. Ce résultat est donc difficile à concilier avec les théories, courantes dans la littérature, selon lesquelles la fragilisation serait attribuable à la formation de défauts induits par oxydation hétérogène à petite échelle. L'analyse approfondie des résultats suggère au contraire que l'oxydation est homogène (dans la phase amorphe) et affecte la connectivité interlamellaire dont on connaît le rôle crucial dans le processus de déformation plastique. Partant de ce constat, nous avons élaboré un modèle cinétique rendant compte de l'évolution de la structure, en particulier de la masse molaire, dans lequel un couplage réaction-diffusion permet de prédire la distribution des produits d'oxydation à tout instant. Nous avons utilisé ce modèle pour prédire la durée de vie, le critère de fin de vie étant la fragilisation, soit M=M'C. La confrontation avec l'expérience (allure des courbes cinétiques, valeur des durées de vie, profil de distribution des produits d'oxydation dans l'épaisseur) démontre les capacités prédictives du modèle dont la caractéristique principale est qu'il ne comporte pas de paramètre empirique.

Nous avons étudié la thermooxydation du polyoxyméthylène (POM) stabilisé et non stabilisé à différentes températures, entre 90 et 150°C et différentes pressions d'oxygène, entre la pression atmosphérique et 20 bars. Les principales caractéristiques du processus de vieillissement sont les suivantes : diminution lente de la masse moléculaire accompagnée d'une perte de masse importante, fortement dépendante de la pression d'oxygène, et relative rareté des produits d'oxydation observables par spectrophotométrie infrarouge (essentiellement formiates en bout de chaînes). Ceci nous conduit à proposer un schéma mécanistique dans lequel des radicaux peroxyles attaquent les méthylènes de la chaîne pour donner des hydroperoxydes instables dont la décomposition conduit à la formation d'un formiate et amorce un mécanisme de dépolymérisation caractérisé par une longueur de chaîne cinétique approximativement voisine de cent.<br /><br />Un modèle cinétique a été dérivé de ce schéma. Il rend raisonnablement compte de tous les résultats expérimentaux obtenus, même si des questions restent ouvertes, en particulier à propos de la stabilisation.<br /><br />L'analyse des mécanismes de fragilisation induite par le vieillissement suggère que le phénomène le plus important est la coupure statistique de chaîne, la rupture passant du régime ductile au régime fragile lorsque la masse molaire atteint 80 +/- 20 kg/mol. Cependant, il est probable que l'évolution de la morphologie (réduction de la couche amorphe entre lamelles), joue également un rôle non négligeable. Une méthode non empirique de prédiction de durée de vie, fondée sur ces résultats, est proposée mais la détermination de tous les paramètres caractérisant les échantillons industriels (stabilisants ?, antichoc polyuréthane ?, ...) n'a pas pu être totalement accomplie.

Cette thèse porte sur la prédiction de durée de vie du polyéthylène en ambiance nucléaire. Elle se caractérise par la recherche d'une solution non empirique au problème. Il s'agit d'établir un modèle décrivant l'évolution du polymère (y compris l'hétérogénéité induite par un contrôle de la cinétique d'oxydation par la diffusion de l'oxygène) à toute température comprise entre l'ambiante et la température de fusion du polymère, et à tout débit de dose compris entre 0 et 1 kGy.h-1, avec des durées de vie s'étalant sur plusieurs dizaines d'années. La difficulté majeure était la prise en compte d'un processus d'amorçage dual: par radiolyse du polymère et par décomposition thermique des hydroperoxydes. Nous l'avons résolue en considérant d'abord les régimes asymptotiques où l'un des processus est négligeable par rapport à l'autre. Ayant identifié les paramètres cinétiques propres à chacun des régimes, nous avons ensuite construit un modèle numérique englobant tous les processus. Dans le cas du polyéthylène non stabilisé, ce modèle a d'excellentes qualités prédictives, tant en ce qui concerne la durée de vie à fragilisation, qu'en ce qui concerne l'épaisseur de la couche oxydée. Nous sommes ensuite passés à l'étude d'échantillons de polyéthylène stabilisés par un phénol encombré et par un sulfure. L'analyse de la consommation du phénol révèle l'existence de mécanismes non encore étudiés, en particulier l'existence d'un effet "réservoir" lié à la présence d'une phase de phénol en excès. Un modèle cinétique a été élaboré, mais nous ne savons pas encore dans quelle mesure les caractéristiques prises en compte sont spécifiques aux stabilisants étudiés ou généralisables

Le problème de la corrosion induite par les chlorures a toujours é té une question importante étudié e par les ingénieurs et les chercheurs au fil des ans. Dans les régions froides comme le Québec, la rigueur de l'hiver réduit la durabilité des structures : lorsque de l'eau contenant du sel de déglaçage entre en contact avec des structures en béton, cela entraîne une dé gradation progressive rapide du matériau en raison de la migration des chlorures dans le béton d'enrobage essentiellement par corrosion des aciers d'armature. Il est donc intéressant de bien comprendre les propriété s et les mécanismes de transport dans le béton, et de savoir comment la durabilité des structures est affecté e par ces différents processus de transport. De nombreux travaux de recherche étudient les différents mécanismes de transport à l'intérieur du béton, tant du point de vue numérique qu'expérimental. Cependant, des lacunes subsistent dans la construction du modèle numérique de transport pour représenter un béton en service sous sollicitation mécanique ainsi que dans le développement d'approches expérimentales, en particulier pour les nouvelles géné rations de bétons comme les bétons à ultra-hautes performances ou les bétons renforcé s de fibres à ultra-hautes performances (BUP/BFUP). L'objectif de cette thèse est d'étudier le transport multi-physique de différentes phases (eau liquide et vapeur) et espèces (sodium, chlorure, potassium, calcium, sulfate, etc.) dans les matériaux cimentaires traditionnels (CEM I-V) ainsi que les bétons à hautes performances (BUP&BFUP). A cette fin, plusieurs protocoles ou approches expérimentales innovantes ont été développé es et un modèle/logiciel de transport hygro-thermo-électrique multi-ionique couplé numériquement a été développé à deux dimensions (2D), soit pour mesurer les propriétés de transport du matériau étudié, soit pour simuler et pré dire le comportement de transport de ceux-ci. Tout d'abord, les tests de durabilité (test de diffusion thermique, test de séchage, test d'absorption capillaire) sur le béton traditionnel issus de la littérature ont été étudiés et sur la base de la procédure de calibration, un modèle de transport hygrothermique de l'eau (TransChlor2D) pour les matériaux en bé ton traditionnel a été établi. En particulier, ce nouveau modèle bidimensionnel a correctement pris en compte l'effet de succion capillaire de l'eau dans les structures en bé ton sec soumises à l'environnement humide. Ensuite, afin de mettre en œuvre le modèle sur les matériaux BUP/BFUP, un test isotherme de sorption de la vapeur d'eau (WVSI) a été réalisé. Grâce à la dernière technologie dynamique vapeur sorption (DVS), l'expérience a permis d'enregistrer le processus d'hystérésis de sorption dans de petits échantillons BUP/BFUP broyés. L'hystérésis de sorption a montré une forme triangulaire, ce qui est nouveau par rapport à l'isotherme de sorption des matériaux cimentaires traditionnels (pâte de ciment ou béton ordinaire). Une formule analytique a également été développée pour décrire les courbes isothermes d'adsorption et de désorption du BFUP. Enfin, le modèle TransChlor2D a été é tendu à un modèle multi-ionique, pour modéliser la pénétration de différentes espèces ioniques dans le béton, avec le couplage d'un potentiel électrique externe et des effets de fissuration. Le processus de transport couplé a été modélisé avec une équation de Nernst-Planck modifiée. Les effets de chargement considèrent l'influence des fissures ou des microfissures sur les diffusivités ioniques. Des tests de flexion ont été effectué s sur des poutres en BFUP pour générer des microfissures, qui ont été capturé es par une technologie de corrélation d'images numériques (DIC). Le matériau fissuré a ensuite été modélisé avec un algorithme de détection des dommages qui est ensuite intégré dans TransChlor2D. Les résultats de la simulation du transport multi-ionique dans des poutres BFUP endommagées ont montré que les microfissures développées en raison de la charge pourraient être un facteur crucial modifiant la résistance à la corrosion du matériau, et que les structures réelles présentant des fissures devraient être bien protégées pour éviter une détérioration rapide Le modèle/logiciel de transport multi-physique (TransChlor2D), développé dans cette recherche, peut être utilisé efficacement par les ingénieurs ou les gestionnaires de projets pour réaliser l'estimation de la durée de vie des structures. Les résultats prometteurs des simulations numériques ont prouvé que le modèle est très précis pour les prédictions au niveau de la structure. Les nouveaux résultats des expériences ont également révélé certaines propriétés de transport uniques du BUP/BFUP qui diffèrent des matériaux en béton traditionnels, et les protocoles proposé s peuvent être particulièrement utiles pour les futures études de durabilité du BUP/BFUP. / Chloride induced corrosion problem has always been an important issue studied by engineers and researchers over years. In cold regions like Québec, the winter severity degrades structures' durability: when water containing de-icing salt is in contact with concrete members, it will lead to a fast-progressive degradation of the material as a result of chloride migration in the concrete cover that corrodes reinforcement steel bar. Therefore, it is a topic of interest to have a clear understanding of the concrete material's transport properties and mechanisms, and how structure's durability is affected by these transport processes. Numerous research investigate the different transport mechanisms inside concrete materials, from both numerical and experimental perspectives. However, the gap remains in building the numerical transport model to represent concrete structures in service state with mechanical solicitation as well as in developing experimental approaches, particularly for new generations of concretes like Ultra-High-Performance Concrete or Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPC/UHPFRC) The objective of this thesis is to study multi-physics transport of different phases (liquid and vapor water) and species (sodium, chloride, potassium, calcium, sulfate, etc.) in both traditional cement materials (CEM I-V) and high performance concretes (UHPC&UHPFRC). To this end, several innovative experimental protocols or approaches have been developed and a numerically coupled multi-ionic hygro-thermo-electrical transport model/software has been developed in two dimensions, either to measure the transport properties of the studied material or to simulate and predict the transport behavior of them. Firstly, the durability tests (thermal diffusion test, drying test, capillary absorption test) on traditional concrete form the literature were studied and based upon the calibration procedure, a hygro-thermal water transport model (TransChlor2D) for traditional concrete materials was established. Particularly, this new two-dimensional model correctly considered the water capillary suction effect in dry concrete structures. Then, in order to implement the model on UHPC/UHPFRC materials, a water vapor sorption isotherm test (WVSI) was carried out. With the latest DVS technology, the experiment recorded the sorption hysteresis process in small crushed UHPC/UHPFRC samples. The sorption hysteresis showed a triangular shape, which was novel compared to the sorption isotherm of traditional cement materials (cement paste or regular concrete). An analytical formula was also developed to describe the adsorption and desorption isotherm curves of UHPFRC. Finally, TransChlor2D model was extended into a multi-ionic model, to model the penetration of different ionic species in concrete, with the coupling of an external electric potential and loading effects. The coupled transport process was modeled with a modified Nernst-Planck equation. The loading effects was considered as the influence of cracks or microcracks on ionic diffusivities. Bending tests were carried out on UHPFRC beams to generate microcracks, which was captured by a Digital Image Correlation technology. The cracked material was then modeled with damage detection algorithm integrated in TransChlor2D. The simulation results of multi-ionic transport in damaged UHPFRC beams showed that the microcracks developed due to loading could be a crucial factor changing material's corrosion resistance, and real structures with cracks should be well protected to avoid fast deterioration. The multi-physics transport model/software (TransChlor2D) developed and validated in this study may be effectively useful for engineers or project managers to perform structure service life estimation. The promising results from numerical simulations proved it to be significantly accurate for structural level predictions. The new findings from the experiments also revealed some unique transport properties of UHPC/UHPFRC that differs from the traditional concrete materials, and the proposed protocols can be especially useful for future durability study on UHPC/UHPFRC.

Le PA 6,6 est maintenant envisagé pour des pièces de robinetterie sur le réseau domestique de distribution d'eau potable. Cependant, ce matériau ne pourra être utilisé que si sa durabilité à long terme, en conditions réelles de service, est clairement démontrée. L'analyse cinétique des principaux mécanismes de vieillissement chimique susceptibles de se produire et d'interagir sur le réseau domestique de distribution d'eau potable : l'hydrolyse, la thermo-oxydation et l'attaque chimique par le dioxyde de chlore, a permis au final d'élaborer un modèle cinétique général de dégradation du PA 6,6. Ce modèle donne accès aux modifications structurales du PA 6,6 aux différentes échelles pertinentes (moléculaire, macromoléculaire, morphologique et macroscopique) en conditions de service. Il prédit la fragilisation du PA 6,6 lorsque la masse molaire moyenne en nombre atteint une valeur critique de l'ordre de 17 kg/mole. De nombreuses perspectives de recherche sont présentées comme l'introduction de ce modèle cinétique dans les codes courants de calcul mécaniques.

Le PA 6,6 est maintenant envisagé pour des pièces de robinetterie sur le réseau domestique de distribution d'eau potable. Cependant, ce matériau ne pourra être utilisé que si sa durabilité à long terme, en conditions réelles de service, est clairement démontrée. L'analyse cinétique des principaux mécanismes de vieillissement chimique susceptibles de se produire et d'interagir sur le réseau domestique de distribution d'eau potable : l'hydrolyse, la thermo-oxydation et l'attaque chimique par le dioxyde de chlore, a permis au final d'élaborer un modèle cinétique général de dégradation du PA 6,6. Ce modèle donne accès aux modifications structurales du PA 6,6 aux différentes échelles pertinentes (moléculaire, macromoléculaire, morphologique et macroscopique) en conditions de service. Il prédit la fragilisation du PA 6,6 lorsque la masse molaire moyenne en nombre atteint une valeur critique de l'ordre de 17 kg/mole. De nombreuses perspectives de recherche sont présentées comme l'introduction de ce modèle cinétique dans les codes courants de calcul mécaniques. / PA 6,6 is now considered for the elaboration of valve parts in the domestic network of drinking water distribution. However, this material will be used only if its long-term durability, in real use conditions, is clearly demonstrated. The kinetic analysis of the main chemical ageing mechanisms which may occur and interact in the domestic network of drinking water distribution: hydrolysis, thermal oxidation and chemical attack by chlorine dioxide, has allowed to finally build a general kinetic model for PA 6,6 degradation. This model gives access to PA 6,6 structural modifications at the different pertinent scales (molecular, macromolecular, morphological and macroscopic scales) in use conditions. It predicts the embrittlement of PA 6,6 when the number average molar mass reaches a critical value of the order of 17 kg/mole. Many research prospects are presented such as the introduction of this kinetic model in common mechanical calculation codes.

Ce travail de thèse explore la signification écologique des variations inter et intraspécifiques de la croissance et des traits fonctionnels des espèces d’arbres de forêt tropicale guyanaise en relation avec les conditions d’éclairement. Nous démontrons que le syndrome de traits associé à la niche de régénération (durée de vie des feuilles plus longue et surface massique plus grande pour les espèces les plus tolérantes à l’ombre) est valide pour 14 espèces non pionnières et non strictement sciaphiles. La plasticité de la surface massique exprimée au stade juvénile chez les espèces les moins spécialisées pourrait refléter une adaptation à l’hétérogénéité de l’éclairement rencontrée au stade jeune et au cours des stades ontogéniques successifs. Les analyses multivariées mettent en évidence un lien étroit entre la durée de vie des feuilles, la profondeur relative du houppier et la niche de régénération. La plasticité de la profondeur du houppier observée chez les espèces les plus héliophiles ne peut pas être interprétée comme une réponse d’évitement de l’auto-ombrage. Nous montrons qu’elle correspond plutôt à un changement des taux de croissance et de mortalité des feuilles et des branches imposé par les conditions d’éclairement et se produisant à l’échelle de la plante entière. En ce qui concerne la variabilité intraspécifique de la croissance des arbres adultes, nous avons observé une faible contribution de la compétition pour la lumière et un effet important de l’espèce. Nos résultats indiquent que ce patron de réponse résulte de la partition des espèces le long du gradient lumineux vertical et de la forte abondance d’espèces de petite taille peu sensibles à la compétition du fait de leur adaptation aux conditions lumineuses du sous-bois. La différentiation de niche de régénération et la stratification verticale des arbres adultes étayent l’hypothèse d’une partition de niche vis à vis de la ressource lumineuse dans les trois dimensions de la forêt tropicale humide. / This study explores the ecological significance of inter- and intraspecific variations of growth and functional traits found in tropical tree species of French Guiana in relation to light regime. We demonstrate that the syndrome of leaf traits associated with light -niche (longer life span, higher leaf mass per area of more shade tolerant species) holds among a set of 14 species comprising no pioneer nor any shade specialist species. Our results further suggest that plasticity of leaf mass per area expressed at the sapling stage may reflect adaptation to the spatial heterogeneity of light conditions encountered both at the sapling stage and later. Multivariate analysis provides evidence of a close linkage between leaf lifespan, relative crown depth and light-niche optimum. The plasticity in relative crown depth observed in shade-intolerant species can not be interpreted in terms of self-shading avoidance. Rather, crown depth adjustment was found to be a consequence of changes in growth rates and mortality rates of leaves and branches imposed by current light conditions and occurring at the whole-plant level. At the adult stage, our results point to competition for light making an unexpectedly low contribution to individual tree growth variations, contrasting with a major effect of species identity. We argue that this pattern of variation is likely to result from the vertical niche partitioning of species and the high abundance of small-statured species that are moderately responsive to light competition (consistent with their adaptation to understorey conditions). Light-niche differentiation of juvenile trees and vertical stratification of adult trees provide strong evidence for light niche partitioning in the three-dimensional space of tropical forests.

Ce mémoire étudie, par la voie de la modélisation numérique, le comportement des murs en terre armée sous l'effet de la corrosion des armatures. L'analyse de données recueillies sur des ouvrages réels, âgés de plusieurs dizaines d'années, a montré la différence de comportement selon les types d'armatures, mais aussi la forte dispersion de l'ensemble des données. Elle a permis de proposer des relations entre la perte de masse et la diminution de la résistance et de l'allongement à la rupture des armatures.La présence des armatures très minces par rapport aux dimensions de l'ouvrage rend intéressante l'utilisation de méthodes d'homogénéisation. On a retenu une modélisation multiphasique, qui permet une modélisation satisfaisante de la traction dans les armatures.Quatre scénarios de corrosion ont été étudiés pour prendre en compte diverses situations susceptibles de conduire à des taux de corrosion élevés. La répartition spatiale de la corrosion peut avoir une influence importante sur le comportement du mur, sur le mécanisme de ruine et provoquer des phénomènes complexes de report des effort d'une armature sur une autre.Nous avons réalisé une étude paramétrique de l'effet de surcharges appliquées à l'ouvrage, et de certains détails de modélisation comme la jonction entre écailles, et la jonction entre armatures et écailles. Les résultats obtenus sont comparés à des mesures sur des ouvrages réels ou des modèles réduits, et à d'autres résultats de calcul.Les résultats conduisent à formuler des propositions concernant le suivi des déformations des ouvrages (nature et précision des mesures à effectuer, intervalles de temps entre inspections successives)