Les matériaux pouzzolaniques sont utilisés depuis longtemps comme charge minérale dans le béton pour atteindre des avantages économiques ou techniques. Parmi ces matériaux, on rencontre la fumée de silice (FS) qui améliore les propriétés mécaniques et la durabilité des bétons. Néanmoins ce matériau présente des inconvénients tels que coûts élevés et approvisionnements irréguliers de la FS. En raison de l’évolution de la science et de la technologie des nanos, diverses formes de silice amorphe nanométrique sont devenues disponibles. Et c’est dans cette perspective que le choix de notre étude s’est porté sur les nanopoudres de verre (SGP) obtenues par sphéroïdisation du verre recyclé qui leur confère une surface spécifique plus élevée par rapport aux matériaux à l’échelle micrométrique et leur procure une plus grande réactivité pouzzolanique et un effet nano filler. Il est connu que les charges minérales sous forme de fines poudres créent des agglomérats. Pour contrer ce phénomène d’agglomération, objet de notre étude, des modifications de la surface des SGP ont été réalisées par attaque à l’acide sulfurique et greffage au polyéthylène glycol (PEG). Nos travaux ont porté dans un premier temps sur la caractérisation des SGP, SGP-acidifiées (SGP-A) et SGP-Pégylinisées (SGP-P) et dans un deuxième temps, sur l’exploitation des effets des SGP, SGP-A et SGP-P sur l’hydratation du ciment et leurs comparaisons aux résultats obtenus par l’incorporation de FS. Les études sur coulis nous ont permis de déterminer l’évolution de leur étalement en fonction du mode d’incorporation (addition ou remplacement), du type d’ajouts et aussi d’évaluer leurs demandes en eau et en superplastifiants. Les essais sur pâtes ont permis d’examiner leurs vitesses d’hydratation, déterminer la chaleur dégagée lors de cette hydratation et suivre l’activité pouzzolanique des ajouts cimentaires en mesurant la portlandite résiduelle. Les essais sur mortiers et bétons ont permis de déterminer l’effet des différents ajouts sur les propriétés aux états frais et durci. Les résultats expérimentaux de notre étude révèlent que : L’effet dispersant du superplastifiant PNS sur les nanopoudres de verre est meilleur que celui du PC. Les traitements chimiques des surfaces des nanopoudres de verre, contribuent à leurs défloculations. Les nanopoudres de verre améliorent la fluidité des systèmes cimentaires étudiés comparativement à celle de la fumée de silice même en absence de superplastifiant. L’addition des nanopoudres de verre est bénéfique pour l’accélération de l’hydratation du ciment par rapport à celle de la fumée de silice. À jeune âge, le remplacement du ciment par 10% en nanopoudres de verre accélère la réactivité pouzzolanique comparée à celle de la fumée de silice et du contrôle, mais à âge plus avancé les nanopoudres de verre ont une activité pouzzolanique lente. Les nanopoudres de verre en présence de superplastifiant PNS développent des résistances en compression supérieures à celle de la fumée de silice à jeune âge.

The use of waste materials in construction is among the most attractive options to consume these materials without affecting the environment. Glass is among these types of potential waste materials. In this research, waste glass in powder form, i.e. glass powder (GP) is examined for potential use in enhancing the characteristics of concrete on the basis that it is a pozzolanic material. The experimental and the theoretical components of the work are carried out primarily to prove that glass powder belongs to the "family" of the pozzolanic materials. The chemical and physical properties of the hydrated activated glass powder and the hydrated glass powder cement on the microstructure level have been studied experimentally and theoretically. The work presented in this thesis consists of two main phases. The first phase contains experimental investigations of the reaction of glass powder with calcium hydroxide (CH) and water. In addition, it includes experiments that are aimed at determining the consumption of water and CH with time. The reactivity, degree of hydration, and nature of the pore solution of the glass powder-blended cement pastes and the effect of adding different ratios of glass powder on cement hydration is also investigated. The experiments proved that glass powder has a pozzolanic effect on cement hydration; hence it enhances the chemical and physical properties of cement paste. Based on the experimental test results, it is recommended to use a glass powder-to-cement ratio (GP/C) of 10% as an optimum ratio to achieve the best hydration and best properties of the paste. Two different chemical formulas for the produced GP C-S-H gel due to the pure GP and GP-CH pozzolanic reaction hydration are proposed. For the pure GP hydration, the produced GP C-S-H gel has a calcium-to-silica ratio (C/S) of 0.164, water-to-silica ratio (H/S) of 1.3 and sodium/silica ratio (N/S) of 0.18. However, for the GP-CH hydration, the produced GP C-S-H gel has a C/S ratio of 1.17, H/S ratio of 2.5 and N/S ratio of 0.18. In the second phase of this research, theoretical models are built using a modified version of an existing cement hydration modelling code, "CEMHYD3D", to simulate the chemical reaction of the activated glass powder hydration and glass powder in cement. The modified model, which is referred to as the "MOD-model" is further used to predict the types, compositions and quantities of reaction products. Furthermore, the glass powder hydration data, which is obtained experimentally, is incorporated into the MOD-model to determine the effect of adding glass powder to the paste on the process of cement hydration and resulting paste properties. Comparisons between theoretical and experimental results are made to evaluate the developed models. The MOD-model predictions have been validated using the experimental results, and were further used to investigate various properties of the hydrated glass powder cement paste. These properties include, for example, CH content of the paste, porosity, hydration degree of the glass powder and conventional C-S-H and GP CS- H contents. The results show that the MOD-model is capable of accurately simulating the hydration process of glass powder-blended cement paste and can be used to predict various properties of the hydrating paste.

L'objectif principal était de développer un outil de formulation dédié à l'inertage des déchets par des liants minéraux (laitiers, fondus, portland..) pour un stockage en décharge classée ou pour valorisation sous la forme d'Eco-matériaux. Deux voies de recherches se sont déroulées en parallèle, d'une part la caractérisation multi-échelles du 'composite liant/déchet' pour qualifier l'efficacité de l'inertage,d'autre part, la mesure des propriétés rhéologiques et mécaniques du 'composite liant/déchet' pour mieux cibler son domaine d'emploi. Il est apparu rapidement que pour fonder l'outil de formulation, une description fine du réseau poreux obtenu (diamètre et connectivité des capillaires, distribution de taille et morphologie des pores) associée à une étude des microstructures formées seraient impératives. Pour ce faire des expériences multi-échelles à caractère novateur ont été mises en place (ICP-OES couplée avec de la conductimètrie, cartographie MEB) et appliquées à 8 couples liant/ polluant. Elles ont confirmé une intégration des polluants sous diverses formes microstructurales dans de nouveaux composés Pour mieux prédire les cinétiques de rejet, dans le cadre d'une mise en décharge, les lois classiques de diffusion ont été revisitées sur une période d'étude de [3min-24mois] et les coefficients de diffusion de Fick ont été calculés globalement ou par partie.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le circuit primaire des réacteurs nucléaires à eau pressurisée, le bore participe au contrôle des réactions de fission. Le traitement de cette solution génère des déchets aqueux contenant une forte concentration en bore (de 1 à 3 mol/L). Le conditionnement de ces déchets à l'aide d'un ciment silico-calcique est compliqué par le fort pouvoir retardateur des ions borate sur l'hydratation du liant. Un traitement des déchets à la chaux est nécessaire pour précipiter les ions borate sous forme d'hexahydroborite. Cette stratégie, si elle limite le retard d'hydratation, ne le supprime pas. Par ailleurs, l'hexahydroborite est instable en milieu cimentaire et se convertit dans le temps en boroaluminate de calcium. Une autre approche pourrait consister à utiliser un ciment sulfoalumineux bélitique à forte teneur en ye'elimite. Ce liant présente en effet l'avantage de former en quantité importante des phases de type AFm et/ou AFt lors de son hydratation, phases qui peuvent incorporer des ions borate dans leur structure.Au cours de ce travail, l'hydratation de ciments sulfoalumineux par des solutions de borate de sodium a été étudiée au jeune âge et à plus long terme (sur une durée de 2 ans) dans l'objectif de préciser l'influence d'un ensemble de paramètres (pH du déchet, concentration en bore, taux de gypse du ciment) sur la vitesse d'hydratation du liant, la nature des hydrates formés, et les propriétés du matériau obtenu (résistance mécanique, stabilité dimensionnelle). Pour ce faire, une démarche analytique, procédant par complexification progressive des systèmes étudiés, a été mise en œuvre. Ainsi ont été successivement abordées la spéciation du bore en solution alcaline, l'étude des phases précipitant au sein des systèmes {CaO, B2O3, Na2O, H2O}, {CaO, B2O3, Al2O3, H2O} et {CaO, Al2O3, B2O3, SO3, H2O}, puis celle des pâtes de ciment gâchées avec une solution boratée simulant le déchet. L'approche expérimentale a été complétée par des modélisations thermodynamiques s'appuyant sur une base de données spécialement développée pour les besoins de l'étude.Il apparaît que le gypse joue un rôle primordial dans le contrôle de la réactivité du ciment. L'ajout de gypse fixe, par un mécanisme indirect, le pH de la solution interstitielle à une valeur proche de 11, ce qui favorise la précipitation transitoire d'un composé boraté faiblement cristallisé, l'ulexite. La dissolution des phases anhydres du ciment est alors fortement ralentie jusqu'à l'épuisement du gypse, conduisant ainsi à des retards de prise considérables. En l'absence de gypse, le retard à l'hydratation est de plus faible amplitude. Dans ces conditions, le pH de la solution interstitielle atteint des valeurs plus élevées, ce qui permet de déstabiliser rapidement l'ulexite. A plus long terme, les ions borate sont incorporés au sein d'une phase de type AFt, en solution solide avec les ions sulfate. Les résultats obtenus permettent de conclure que ce sont les ciments sulfo-alumineux contenant une faible teneur en gypse qui sont les plus adaptés au conditionnement de solutions à forte concentration en bore. / In the primary circuit of pressurized water reactors, boron helps controlling the fission reactions. The treatment of this solution produces aqueous low-level or intermediate-level and short lived radioactive with a high boron concentration (up to 1 to 3 mol/L). Stabilization/solidification of such wastes with calcium silicate cement is complicated by the strong retarding effect of borate ions on cement hydration. A calcium hydroxide addition is required to precipitate borate ions into hexahydroborite. With this approach, the hydration delay is limited, but not suppressed. Besides, hexahydroborite is unstable in the cement paste and is progressively converted into a hydrated calcium boroaluminate phase. Another strategy may consist in using belite calcium sulfoaluminate cement with high ye'elimite content. During hydration, this binder forms indeed large amounts of AFm and/or AFt phases which can incorporate borate ions into their structure.In this work, hydration of calcium sulfoaluminate cement by borated solutions was investigated at early age, and over a 2-year period, in order to determine the influence of a set of parameters (boron concentration and pH of the waste, gypsum content of the cement) on the hydration rate of the binder, on the phase assemblage formed, and on the properties of the resulting material (mechanical strength, volume change). An analytical approach was adopted, based on a progressive increase in the complexity of the investigated systems. The focus was successively placed on the speciation of boron in alkaline solution, on the study of the phases formed within the {CaO, B2O3, Na2O, H2O}, {CaO, B2O3, Al2O3, H2O} and {CaO, Al2O3, B2O3, SO3, H2O} systems, and on the characterization of cement pastes prepared with a borate solution which mimicked the waste. The experimental approach was completed by thermodynamic modelling using a database specially developed for the needs of the study. Gypsum appears to play a key role in controlling the reactivity of cement. The gypsum addition sets, by an indirect mechanism, the interstitial solution pH at a value close to 11, which promotes the precipitation of a poorly crystallized borated compound, ulexite. Dissolution of the anhydrous phases is strongly slowed down until the exhaustion of gypsum, and major delays are observed. Without any gypsum, the hydration delay is shorter. Under these conditions, the pore solution pH reaches higher values after mixing. Ulexite is consequently quickly destabilized. Borate anions are then incorporated into a mixed borate/sulphate AFt type phase. It appears that calcium sulfoaluminate cements with low gypsum contents should be recommended to solidify borated solutions.

Les bétons de chanvre associent un granulat végétal issu du chanvre, appelé « chènevotte », et une matrice minérale. Ce sont des matériaux isolants répondant particulièrement bien aux nouvelles problématiques environnementales du secteur du bâtiment. Pourtant, leur développement est freiné par d'occasionnels désordres de mise en œuvre et des propriétés mécaniques relativement faibles qui pourraient résulter d'interactions complexes développées entre la chènevotte et le liant. Dans ce contexte, l'objectif des travaux a été de préciser la nature de ces interactions et d'identifier par quels mécanismes celles-ci peuvent modifier la prise du liant et les propriétés finales du matériau. Pour cela, l'évolution de mélanges de matières premières (chènevottes et liants) de natures différentes a été étudiée par des techniques de biochimie, de spectroscopie, de physico-chimie et de mécanique. Cette approche multi-échelle a ainsi permis de mettre en évidence le puissant pouvoir retardateur des produits extraits de la chènevotte sur la prise des liants hydrauliques. Ce retard peut conduire à une absence totale de prise du liant, lorsque celui-ci est couplé à des phénomènes de dégradation de la chènevotte, de migration de ces produits dans la matrice et d'évaporation d'eau. En outre, il a été démontré que les caractéristiques de la chènevotte (composition chimique), la nature du liant (ciment pur ou additionné de chaux), ainsi que les conditions de cure (présence ou non de CO2) sont des facteurs pouvant moduler les effets délétères sur la prise et les propriétés mécaniques du matériau formé. Ils constituent donc des paramètres potentiels d'optimisation des bétons de chanvre. / The hemp concretes, combine a plant aggregate, called “shiv” with a mineral binder. They are insulating materials particularly suited to face the new environmental problems of the building sector. However, their development is hampered by the occasional implementation problems and their relatively low mechanical properties that could result from complex interactions between the shiv and the binder. In this context, the objective of the presented work was to clarify the nature of these interactions and to identify the mechanisms by which they can impact the setting of the binder and the final properties of the material. To do so, the evolution of mixtures of the initial components (shiv and binders) differing by their nature was studied by biochemical, spectroscopic, physical chemistry and mechanical techniques. This multi-scale approach enabled us to highlight the powerful set retarding action of shiv-extractable products on hydraulic binders. This delay can even lead to a total failure of the binder setting when this one is coupled to simultaneous degradation of the hemp aggregate, migration of the formed products in the matrix and water evaporation. Finally, it has been demonstrated that the characteristics of the shiv (chemical composition), the nature of the binder (pure cement or lime added), and the curing conditions (presence or absence of CO2) represent factors that may modulate the deleterious effects on the setting and the mechanical properties of the formed material. They hence constitute potential parameters for the optimization of hemp concretes.

Les milieux biologiques et alimentaires sont généralement des mélanges contenant un nombre élevé de constituants (eau, solvants organiques, solides dissous, gaz dissous, espèces ioniques, macromolécules). La prédiction des propriétés d’équilibre de tels milieux requiert l’utilisation d’un modèle thermodynamique entièrement prédictif. Ce modèle doit également permettre d’assurer la cohérence entre des données expérimentales et garantir la robustesse de la représentation simultanée des équilibres physiques (liquide-vapeur, solubilité, etc.) et chimiques (dissociation, oxydo-réduction, complexation, etc.). Le potentiel chimique est une donnée indispensable pour modéliser ces équilibres. Sa connaissance dépend de la prédiction de deux variables : l’enthalpie libre de formation dans un état de référence choisi, et le coefficient d’activité qui dépend aussi de l’état de référence choisi. Le modèle COSMO-RS est un excellent modèle de prédiction des coefficients d’activité très largement utilisé dans le domaine du génie chimique où on s’intéresse essentiellement à des molécules neutres. Ce travail de thèse a permis d’étendre les performances du modèle COSMO-RS au traitement des milieux biologiques et alimentaires dans lesquels on trouve systématiquement des électrolytes en solution (en plus des molécules neutres). Un nouvel outil utilisant les récentes avancées de la mécanique quantique a été développé pour prédire les propriétés de formation à l’état gaz. En combinant des concepts de la thermodynamique, de la mécanique quantique, de l’électrostatique, et de la physique statistique, il a été démontré qu’il est possible d’utiliser le modèle COSMO-RS pour faire la transition entre l’état gaz et la phase condensée. Partant de là, ce travail démontre qu’il est maintenant possible de traiter simultanément les équilibres physiques et chimiques et donc de prédire les propriétés physico-chimiques (aW, pH, Eh) dans les milieux biologiques et alimentaires par le modèle COSMO-RS. / Food and biological systems are generally multicomponent mixtures (including water, organic solvents, dissolved solids, dissolved gases, ionic species, macromolecules). The prediction of the equilibrium properties of such environments requires the use of a fully predictive thermodynamic model. This model must be able to ensure the consistency between experimental data and to ensure the robustness of the simultaneous representation of physical equilibria (liquid-vapour, solubility, etc.) and chemical equilibria (dissociation, redox, complexation, etc.). The chemical potential is an essential property for modelling such equilibria. Its determination depends on two variables: the Gibbs free energy of formation in a chosen reference state, and the prediction of the activity coefficient which also depends on the chosen reference state. The COSMO-RS model is an excellent model for predicting activity coefficients that is widely used in chemical engineering where the studied molecules are generally neutral. This PhD study enabled to extend the performance of the COSMO-RS model toward the treatment of food and biological systems where there are systematically electrolytes in solution (in addition to neutral molecules). A new tool based on the recent advances of quantum mechanics has been developed in order to predict gas phase formation properties. By combining concepts of thermodynamics, quantum physics, electrostatics and statistical physics, it has been demonstrated that it is possible to use the COSMO-RS model to ensure the transition between the gas phase and the condensed phase. In this context, this work demonstrates that it is possible to treat simultaneously physical and chemical equilibria and thus to predict physico-chemical properties (aW, pH, Eh) in food and biological systems using the COSMO-RS model.

Les propriétés de sorption d'eau, le brunissement non enzymatique et les changements de structure ont été déterminés pour le lactose, la ß-lactoglobuline (BLG), l'amidon gélatinisé ainsi que les aliments infantiles modèles conservés à différentes humidités relatives (HR) à 20 °C. La cristallisation du lactose dans les aliments infantiles modèles a été étudiée par la libération d’eau lors de la conservation. La cinétique de cristallisation du lactose a été étudiée à HR de 70 % montre que la cristallisation est retardée en ajoutant de la BLG et de l’amidon gélatinisé. Les interactions lactose-BLG et lactose-amidon ont un effet significatif sur la cinétique de cristallisation. Les résultats concernant la sorption d'eau, le brunissement non enzymatique et les changements de structure de ces composants peuvent être utilisés pour prédire des changements physico-chimiques pendant le séchage et le stockage des matériaux amorphes et pour déterminer les conditions de stockage optimales. / Water sorption properties, non-enzymatic browning and structure changes were determined for lactose, ß-lactoglobulin (BLG), gelatinized starch and the model infant foods at various relative humidity (RH) and at 20 °C. Lactose crystallization in model infant foods was observed from time-dependent loss of sorbed water. Kinetic of lactose crystallization studied at 70 % RH, showed that BLG and gelatinized starch retarded lactose crystallization. Interactions between lactose-BLG and lactose-starch had significant effect on lactose crystallization kinetic. Data on water sorption, non-enzymatic browning and structure changes of these components can be used to predict changes during process and storage of amorphous carbohydrate materials and to determine storage conditions which maintain quality and desired properties and provide stability.

Les phyllosilicates sont des minéraux d'importance dans l'étude des roches métamorphiques et dans les sites de confinement des déchets liés aux activités anthropiques. Or, les modèles thermodynamiques actuels des argiles ne permettent pas de reproduire les variations de volume observées lors de leur déshydratation, ni leur changement de composition lors du métamorphisme. Les modèles thermodynamiques des micas sont en revanche bien contraints à haute température mais ne permettent pas des estimations thermobarométriques précises à moins de 350° C environ.<br />Nous proposons deux modèles thermodynamiques pour les smectites, illites, interstratifiés illites / smectites et micas. Ces modèles permettent respectivement de calculer la composition des phases stables à basse température, incluant les argiles, et l'estimation thermobarométrique de leurs conditions de cristallisation. Ils prennent tous deux en compte l'hydratation des phyllosilicates, variable en fonction de la composition, la pression, la température et l'activité d'eau. L'évaluation des propriétés thermodynamiques des équivalents hydratés des pôles purs des micas et des paramètres de solution solide nécessaires a été réalisée pour reproduire au mieux les contraintes expérimentales de déshydratation, nature des phases stables, calorimétrie ainsi que les estimations des conditions de cristallisation d'une compilation d'analyses, dont la gamme s'étend de la diagenèse à la haute pression - haute température. Ces modèles sont appliqués au calcul de diagramme de phase dans des systèmes chimiques simples et à l'estimation des conditions de cristallisation de phyllosilicates de nombreux échantillons naturels, y compris à partir de cartographies élémentaires.<br />Nous avons testé plusieurs méthodes d'estimation des propriétés thermodynamiques des phases pour lesquelles les contraintes expérimentales et / ou du milieu naturel sont insuffisantes. Aucune d'entre elles ne permet une estimation de l'enthalpie standard de formation directement utilisable à des fins thermobarométriques. Nous proposons cependant une approche pour améliorer cette situation. De plus, nous avons utilisé une méthode de simulation atomistique pour évaluer l'enthalpie de mélange le long de deux solutions solides d'intérêt pour la pétrologie de basse température. Les résultats sont compatibles avec les observations du milieu naturel, et le calcul du solvus entre les pôles muscovite et pyrophyllite confirme l'importance de l'hydratation pour la stabilité des argiles.

L'utilisation de bois dans une matrice cimentaire confère des propriétés intéressantes aux composites. L'importance des variations dimensionnelles et des retards de prises du matériau sont deux problèmes majeurs. Le but de ce travail était de mieux comprendre les mécanismes d'interaction entre le bois et le ciment. Nous avons étudié l'influence, de la fibre de peuplier naturel et de la fibre de peuplier stabilisée dimensionnellement par traitement thermique, sur l'hydratation du ciment. Compte tenue du rôle de la composition chimique de bois sur la prise du ciment, l'étude a été consacrée à l'obtention de données concernant l'essence utilisée (peuplier) : propriété hygroscopique, analyse structurale, analyse chimique des extraits aqueux et influence du traitement thermique sur ces propriétés.<br /><br />La fibre végétale modifie essentiellement l'hydratation des phases silicatés. Une forte inhibition de la précipitation de la portlandite et des CSH est apparue. Cette dernière provient d'un déficit d'ions hydroxydes dans la phase interstitielle. En présence de bois, l'ettringite est stabilisée et sa conversion en monosulfoaluminate retardée. Il est apparut que le bois ne modifiait pas la dissolution totale des grains anhydres.<br /><br />Le milieu alcalin, imposé par le ciment, dégrade les hémicelluloses, les parties amorphes de la cellulose et les lignines du peuplier. Il en résulte une forte production d'acides organiques dans la phase interstitielle. Ces derniers présentent un effet retard sur l'hydratation nettement supérieur à celui généré par les extractibles.