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La réaction alcalis-silice (RAS) est une des causes principales de détérioration précoce des bétons utilisés dans la fabrication des infrastructures. La RAS, qualifiée de cancer du béton, est une réaction se produisant entre les hydroxydes alcalins de la solution présente dans les pores de la pâte de ciment hydratée et certaines phases minérales siliceuses des granulats. Cette réaction engendre la formation d'un gel expansif qui absorbe des molécules d'eau et diverses espèces ioniques de la solution interstitielle, créant ainsi une pression entraînant la microfissuration interne du béton, la macrofissuration de surface et ultimement, dans certains cas, une réduction significative de la durée de vie utile de l’élément atteint. Ce type de réaction touche un grand nombre de structures au Québec, au Canada et à travers le monde; un des principaux problèmes lié à ce phénomène est qu’il est très difficile de réparer de façon efficace les structures affectées par ce « cancer ». Les essais normalisés A23.2-27A et 28A de l'Association Canadienne de Normalisation (CSA) (2009); (CSA) (2009) proposent diverses mesures préventives afin d'éviter que ne se développe la RAS dans les nouvelles structures de béton. Ces mesures incluent l'utilisation d'ajouts cimentaires ou l’utilisation d’adjuvant chimique à base de lithium. C’est en fait dès le début des années 50 que deux chercheurs ont démontrés que l'utilisation d’adjuvants chimiques à base de nitrate de lithium (LiNO3) tendait à diminuer efficacement l’expansion associée à cette réaction chimique nuisible (McCoy et Caldwell (1951)). Les mécanismes proposés permettant d’expliquer l’efficacité du lithium afin de contrer la RAS sont multiples. Selon Tremblay et al. (2010), certains ont été investigués davantage et certains sont plus probables que d’autres. Ce mémoire portera sur la présentation des différents indices pétrographiques de détérioration permettant d’expliquer l’efficacité du LiNO3 afin de contrer la RAS. Pour ce faire, des essais de laboratoire effectués sur des éprouvettes de béton ainsi que des barres de mortier contenant diverses concentrations en LiNO3 seront présentés. Les indices de détérioration obtenus, un mécanisme pourra être élaboré.

La formation de carbonates de magnésium et/ou calcium à l’aide du CO2 atmosphérique (carbonatation minérale) permet la séquestration permanente du CO2. Puisque la réaction se produit naturellement dans certains résidus miniers, il est possible d’utiliser ces derniers dans un esprit de développement durable. Le but de cette recherche est d’optimiser la carbonatation minérale de résidus miniers par des manipulations physico-chimiques et par l’ajout de sels organiques neutres. Cet ajout devrait permettre de faciliter la mise en solution des ions magnésium contenus dans le résidu minier et ainsi faciliter la précipitation de carbonates de magnésium. Des tests en eudiomètre ont été réalisés en variant différents paramètres tels que la concentration de CO2 dans la phase gazeuse, la teneur en eau des résidus, le type de résidus utilisé et en ajoutant divers sels organiques tels que citrate, oxalate et EDTA de sodium en différentes concentrations afin de favoriser la carbonatation minérale. Les essais ont été réalisés sur différents résidus miniers riches en silicates/oxydes/hydroxydes de magnésium provenant des mines de Black Lake, Asbestos, Dumont, Raglan et Renard. Les résultats indiquent que le résidu plus réactif est de loin Dumont, suivi par Asbestos et Black Lake. Raglan et Renard sont très peu réactifs. La teneur en eau des résidus pour obtenir une réaction optimale varie de 20% à 60%. L’eau interstitielle est un solvant nécessaire pour la mise en solution des ions Mg, mais trop d’eau nuit à la diffusion du CO2. Une relation linéaire entre la concentration en CO2 dans la phase gazeuse et le taux d’absorption a été observée. En remplaçant l’eau par des solutions de chélates, l’absorption de CO2 a pu être augmentée de 24% avec une solution d’EDTA d’un pH de 8,35 concentrée à 0,19M. Cependant, la meilleure solution varie en nature autant qu'en concentration d'un résidu minier à l'autre. Ces données montrent qu’il est possible de favoriser la séquestration naturelle de CO2 de manière significative.

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.

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La position du Burundi, dans le nord-est de la ceinture orogénique Kibarienne, lui confère un fort potentiel en ressources minérales. En effet, une variété de roches intrusives recoupe les roches métasédimentaires du Supergroupe Burundien, l’équivalent local de la chaîne Kibarienne. Ces roches intrusives sont composées de granites accompagnés de pegmatites minéralisées en Sn, Nb-Ta, W, Li, Be, de roches mafiques minéralisées en Fe-Ti-V, de carbonatites et syénites minéralisées en terres rares et en zircon. Outre les gîtes magmatiques, des gîtes hydrothermaux composés de filons de quartz et de brèches aurifères apparaissent dans des zones de cisaillement, à proximité des failles inverses. Des veines métasomatiques minéralisées en terres rares se retrouvent dans une zone de failles normales, situées dans le horst du rift est-africain. Suite aux conditions climatiques tropicales, des latérites nickélifères se sont développées sur des roches ultramafiques et constituent un gisement important de nickel latéritique (± Cr, Cu, EGP).

Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.

La région de l’Outaouais (13760 km²), au Québec, connait une forte croissance démographique et les eaux souterraines sont davantage sollicitées. La perméabilité du socle rocheux, essentiellement cristallin, est contrôlée par des fractures entrecroisées et donc hétérogène. Pour identifier des zones-cibles de forage, nous avons confronté des données de capacité spécifique du Système d’Information Hydrogéologique du Québec, validés à l’aide d’essais de pompage réalisés par l’Université Laval, avec des caractéristiques du roc, parmi lesquelles la lithologie, l’épaisseur de roc exploitée par les puits et la présence de linéaments. Il apparait que la texture et la minéralogie des roches ont une influence sur le développement de fractures perméables. On constate aussi que ces fractures se raréfient en profondeur et qu’il n’est donc pas toujours opportun de forer des puits à des profondeurs importantes (< 80 m). En revanche, aucune corrélation entre la présence de linéaments et le rendement des captage situés à proximité n’a pu être observée. / The Outaouais Region (13760 km²) is one of the most rapidly growing communities in Quebec, and where groundwater is increasingly being relied upon as a water supply. The permeability of the mostly crystalline bedrock is controlled by interconnected fractures and then heterogeneous. In order to identify target areas for installing new pumping wells, specific capacity data from the SIH database, which were validated using pumping tests carried out by Université Laval, were compared with rock characteristics including lithology, thickness of rock exploited by each well and proximity to lineaments. The texture and mineralogy of the rock seemed to have an important influence on the development of permeable fractures. We also found that the fracture density decreases with depth and therefore it is not always profitable to drill to deeper depths (> 80 m) to try to increase productivity. In contrast, proximity to lineaments didn’t seem to have any impact on the productivity of wells.

L’anticlinal de San Corneli qui se situe dans les Pyrénées centrales espagnoles, est une structure plissée et faillée en contexte d’avant-pays de chaînes de montagnes. Cette structure compressive s’est mise en place lors du développement de la ceinture de chevauchement au-dessus de la plaque ibérique au Méso-Cénozoïque. Géométriquement, l’anticlinal de San Corneli correspond à un pli de propagation (8 km x 10 km) développé au-dessus du chevauchement de Boixòls, soit la structure la plus frontale de la nappe de Boixòls. Des structures extensives pré-compression ont été reconnues au sein de l’anticlinal ; il s’agit d’un réseau de failles normales et de fractures précoces ayant joué lors du dépôt de sédiments dans des bassins extensifs au Mésozoïque. Notre problématique de recherche est de développer une méthodologie de modélisation 3D à partir de techniques existantes pour permettre de vérifier l’influence de ces failles normales sur le développement de l’anticlinal de San Corneli et leur effet sur la géométrie particulière de ce pli de propagation. D’autre part, dans cette région le couvert végétal est minimal et l’anticlinal de San Corneli affleure bien, permettant l’acquisition de nombreuses données de surface et facilitant la modélisation de la géométrie du pli. Afin d’avoir une meilleure compréhension des relations qui existent entre la géométrie de formation d’un pli et les failles précoces, la modélisation 3D s’avère indispensable. La méthodologie utilisée consiste, dans un premier temps, en une modélisation inverse 3D. Le modèle géologique volumique est restauré à l’aide du module Restauration 3D proposé par gOcad, basée sur l’équilibrage de coupe. Cette technique permet d’obtenir un modèle paléogéographique 3D, et ainsi d’y déduire l’emplacement et la géométrie des failles normales préexistantes au moment du dépôt des sédiments dans le bassin. Dans le but de tester différentes hypothèses concernant le mode de développement de ce pli-faille nous avons effectué une série de modélisations directes 3D à partir du modèle paléogéographique. La modélisation directe 3D consiste à revenir à l’état actuel de déformation du modèle. Nous avons pu ainsi mieux apprécier la chronologie des évènements qui ont affecté le pli et voir dans quelle mesure les failles précoces ont influencé la formation du pli de San Corneli. En ce sens, nous avons pu faire ressortir que l’orientation des failles préexistantes par rapport à la contrainte régionale compressive avait une importance sur le devenir de ces structures. / The San Corneli anticline located within the Spanish central Pyrenees, is a foreland fault-related fold. This compressive structure developed within the Boixòls thrust sheet during the emplacement of the fold and thrust belt above the Iberian plate during the Meso-Cenozoic. Geometrically, the San Corneli anticline corresponds to a fault propagation fold (8 km by 10 km). Pre-compression extensive structures have been recognized within the anticline. These syntectonic normal faults and fractures were formed during deposition of sediments in the mesozoic rifted basin. The aim of our research is to determine the influence of these normal faults on the development of the San Corneli anticline and their effect on the particular geometry of this fault propagation fold. We used 3D geometrical modeling to gain a better understanding of the relationship between the pre-existing structures and the geometry and kinematics of the fault propagation fold. Furthermore, in this area the vegetative cover is minimal and the San Corneli anticline is very well exposed giving access to numerous field data and facilitating surface modeling of the present geometry of the fold. Our methodology consists, as a first step, in reverse 3D modeling. The geological model volume is restored using the 3D Restoration plugin proposed by gOcad based on cross section balancing. This technique allows to obtain a 3D paleogeographic model, and thus to deduce the location and geometry of preexisting normal faults with depositing sediments in the basin. In order to test different assumptions about the mode of development of this fault propagation fold, we have conducted a series of 3D geometrical models directly from the paleogeographic model. The aim of 3D forward modeling is to revert to the current state of deformation of the model. We were able to better appreciate the chronology of events that have affected the fold and evaluate to what extent the early faults have influenced the kinematics of the San Corneli fold. In this sense, we were able to show that the orientation of pre-existing faults with respect to the regional compressive stress influences the way in which these faults will be reactivated, either in a vertical (reverse) or horizontal sense (strike-slip).