Résumé : L’auto-cicatrisation des fissures des matériaux cimentaires présente un intérêt important pour améliorer leur durabilité (propriétés de transfert par exemple). L’impact du laitier de haut-fourneau sur ce phénomène a été peu étudié bien qu’il ait été observé sur des ouvrages du Génie Civil. Dans cette étude, la cinétique et l’amplitude de l’auto-cicatrisation ont été suivies par des essais non destructifs : la tomographie aux rayons X et la perméabilité à l’air, pour une fissuration créée à 7 jours et à 28 jours. Les résultats montrent que le laitier de haut-fourneau possède un potentiel d’auto-cicatrisation intéressant pouvant dépasser les résultats obtenus pour les formulations de référence sans laitier. Ce bon potentiel dépend des caractéristiques physico-chimiques des matériaux brutes et du potentiel d’hydratation de la formulation au cours du temps. De plus pour suivre l’auto-cicatrisation, un nouvel essai a été mis en place afin de fissurer les éprouvettes de mortier par retrait gêné et d’étudier l’auto-cicatrisation d’une fissure naturelle. Cet essai s’est avéré efficace sur la formulation de référence. Une caractérisation des produits de cicatrisation par MEB-EDS témoigne de la formation de nouveaux produits dans les fissures et de l’impact important des conditions de stockage sur le type de produits formés: des C-S-H pour un stockage sous eau et des carbonates de calcium pour un stockage en chambre humide (CO2 + eau). Les résultats de migration aux chlorures de nano-indentation montrent que ces produits de cicatrisation possèdent de bonnes propriétés de durabilité et des propriétés mécaniques à l’échelle microscopique intéressantes (pour le carbonate de calcium). Enfin, une modélisation du phénomène d’auto-cicatrisation est proposée au moyen du code de calcul de géochimie PHREEQC. L’étude a révélé le potentiel intéressant de PHREEQC pour modéliser l’auto-cicatrisation et en faire un outil de prédiction du phénomène. / Abstract : Self-healing of cementitious materials presents great interest to improve the durability of concrete structure (transfer properties for example). The impact of blast-furnace slag on this phenomenon is not yet clear even if the self-healing of concrete with blast-furnace slag was observed in building sites. To understand the blast-furnace slag influence, non-destructive methods were used to follow self-healing: X-ray tomography and gas permeability test. All specimens were cracked at 7 days and 28 days. The results show that the blast furnace slag has an interesting self-healing potential that can exceed the reference formulation results. This good potential depends on the physico-chemical characteristics of the raw materials and the hydration potential of the formulation over time. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. In addition to follow the self-healing, a new trial was set up to crack mortar specimens by restrained shrinkage and study the self-healing of a natural crack. This test has proven effective over the reference formulation.The SEM with EDS analysis showed the formation of new products in the crack and the impact of storage conditions on these products : C-S-H for specimens stored in water and calcium carbonate for specimens stored in a damp chamber (CO2 + water). Migration chlorures and nano-indentation tests results showed that self-healing products had interesting durability properties and micro-mechanical properties (for calcium carbonate). Finally, self-healing modelling is proposed by means of geochemistry PHREEQC calculation code. The study revealed interesting potential PHREEQC to model self- healing phenomenon and make it a of predictive tool.

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

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

La dégradation du béton associée à l’exposition en ambiance hivernale rigoureuse est une problématique connue en Amérique du Nord en raison de la sévérité du climat en période hivernale. Un des types de dégradation, la fissuration interne, se manifeste par l'apparition d'une intense microfissuration du béton en surface, mais aussi à l'intérieur de la masse. Celle-ci peut conduire à une perte de cohésion du matériau, réduisant ses caractéristiques mécaniques et sa perméabilité. Dans un souci de développement durable et de recherche performancielle, des liants ternaires, comprenant des ajouts minéraux autre que la fumée de silice ont été développés. Les études scientifiques portant sur l’influence du facteur d’espacement à ce type de dégradation sont peu nombreuses, voire inexistantes. Il est par conséquent important de vérifier si les spécifications actuelles permettent d’assurer la confection d’un matériau durable au gel. Dans ce mémoire, nous avons étudié l’influence du facteur d’espacement, du paramètre E/L, de l’influence du type de superplastifiant et d’un granulat marginal sur la résistance à la fissuration interne des bétons en utilisant l’essai accéléré normalisé ASTM C666, procédure A lors de l’utilisation de liants ternaires. Une grande partie de cette recherche a porté sur l’étude de la relation entre le facteur d’espacement et la tenue aux cycles gel-dégel des bétons. Le projet s’est divisé en 4 phases, la première a permis de déterminer un intervalle contenant le facteur d’espacement critique pour chacun des liants étudiés. Il est ainsi établi qu’il est nécessaire d’avoir un facteur d’espacement inférieur à 340 µm pour assurer la durabilité des bétons V-S formulés à partir de liants ternaires. La deuxième phase a montré que le type de superplastifiant n’influe pas sur le facteur d’espacement critique, mais change les caractéristiques du réseau d’air à l’état frais. La troisième phase a porté sur l’analyse de l’influence d’une variation du rapport E/L sur la durabilité au gel-dégel. Il en résulte qu’une variation dans les limites permises n’a pas d’incidence sur le facteur d’espacement critique tant que les hypothèses restent dans l’intervalle prescrit par le tome VII de la norme 3101. La dernière et quatrième phase a permis de montrer que le granulat marginal sélectionné n’a pas d’incidence particulière sur la résistance au gel-dégel en fissuration interne.

Le laitier EAF inox et le laitier AOD sont les deux principaux laitiers issus de l'élaboration des aciers inoxydables. Aujourd'hui ces laitiers ne sont valorisés qu'en construction routière. Cette utilisation ne permet pas d'assurer une valorisation complète et pérenne de ces laitiers dont une large part reste stockée. Compte tenu des propriétés physiques des laitiers EAF inox et AOD solidifié par stabilisation, leur utilisation comme granulats dans le béton peut être intéressante. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de cette voie de valorisation. Ces travaux sont réalisés en deux parties.Premièrement les propriétés physico-chimiques et mécaniques des granulats de laitiers EAF inox et AOD stabilisé sont déterminées. La composition minéralogique complète de ces granulats de laitiers issus de l'élaboration d'aciers inoxydables est aussi analysée afin de rechercher la présence éventuelle de minéraux instables et incompatibles à leur utilisation dans le béton. Compte tenue de la fluorescence sous rayons ultra-violet (UV) des laitiers, une nouvelle approche qui associe les UV et les analyses minéralogiques courantes (DRX, MEB, EDS) est développée dans cette étude. Cette étape de caractérisation des granulats des laitiers étudiés fait de ce mémoire de thèse le premier rapport sur la caractérisation physique, chimique et minéralogique des granulats de laitier AOD stabilisé. La deuxième étape de cette étude consiste à réaliser des bétons en substituant, dans des proportions variées, des granulats naturels silico-calcaires d'un béton de référence par des granulats de laitiers EAF inox et AOD stabilisé. Les propriétés physiques et mécaniques de ces bétons à matrice ordinaires et à hautes performances sont évaluées. Une étude de durabilité de ces bétons est aussi effectuée à travers le suivi des propriétés mécaniques des bétons sur 365 jours, l'analyse d'indicateurs de durabilité et la réalisation d'essais de gonflement. Enfin des observations MEB sont faites sont faites les échantillons de béton âgés de 365 jours pour observer et analyser le réseau de fissures à l'interface granulat – matrice cimentaire. Les résultats montrent des propriétés adaptées à une utilisation structurelle, avec une légère amélioration des caractéristiques mécaniques et des propriétés de durabilité acceptables pour les bétons de granulats de laitiers EAF inox et AOD stabilisé. / Electric Arc Furnace (EAF) slag and Argon Oxygen Decarburization (AOD) slag are the two principal slags resulted from stainless steel manufacture. Unlike blast furnace slag, a significant part of these steel slags is not valued and has to be treated as waste. Stainless steel slags are nowadays only used as aggregates in road construction and their future valorisation in concrete for building could be interesting. To our knowledge, that possibility has not yet been studied in the literature. The objective of this work is to study the possibility of using slags from stainless steel process as aggregates in concrete. Moreover, this is the first report on mineral composition and physical properties of stabilized AOD slags from stainless steel process.In this study, physicochemical and mechanical properties of EAF slag and stabilised AOD slag aggregates are firstly determined. Mineralogical composition of these stainless steel slag aggregates is also analysed to verify if they contain mineral phases likely to show expansion reactions. An original method using short and long UV lights was developed for studying the mineralogical composition of slag. Secondly, the natural aggregates of reference concretes are substituted, in different proportions, by stainless steel slag aggregates and several physical and mechanical properties are measured on concrete samples. The evolution of concrete mechanical properties has been followed over the time up to 365 days. Similarly, durability tests and swelling tests are made on concrete samples to assess the impact of EAF and AOD slag aggregates. SEM observations of crack network at the paste-aggregate interface and in concrete samples were carried out. The results show adequate structural properties, with a slight improvement of the mechanical properties for concretes made of stainless steel slag aggregates. The durability and expansion characteristics of these concretes are sufficient for construction use.

La nécessité de construire de manière durable, rationnelle et écologique incite à l’innovation et la recherche d’alternatives, telles que la géopolymérisation et l’activation alcaline, qui suscitent un intérêt croissant. Dans ce sens, ces technologies permettent de valorise rdes matières premières à plus faible impact environnemental pour le développement d’une nouvelle famille de matériaux. Cependant, ces mécanismes réactionnels sont complexes et il est encore nécessaire de lever plusieurs verrous avant leur implémentation : la confusion entre les deux processus, l’absence d’approches de formulation rationnelles, la méconnaissance de certaines vulnérabilités, etc. La thèse s’intègre dans cette dynamique et a pour objectif une meilleure connaissance des géopolymères et des matériaux alcali-activés. Le cadre de travail est le développement de coulis d’injection. Un programme expérimental basé sur une sélection de compositions est établi afin de caractériser leurs principales propriétés. Les différences entre les deux processus de structuration sont relevées à travers une étude physico-chimique (DRX, RMN) et liées aux évolutions macroscopiques au jeune âge. Un travail d’optimisation de formulation est mené afin de répondre à des critères d’application et définir les paramètres influençant le comportement rhéologique et mécanique des coulis. Une méthodologie basée sur l’analyse micromécanique et l’homogénéisation multi-échelles a permis d’évaluer le module élastique des matériaux et peut servir de plateforme pour une analyse globale du comportement mécanique. Enfin, une étude de la durabilité est entamée en évaluant la sensibilité au séchage et à la lixiviation en milieu acide. / The need for more durable, rational and ecological constructions encourages innovation and the search for alternatives, such as geopolymerization and alkali-activation, with a growing interest. These technologies allow the use of resources with a lower environmental impact in developing a new class of materials. However, both reaction mechanisms are complex and some issues need further investigation before a proper implementation: the confusion between these processes, the absence of a rational design approach, the lack of knowledge concerning some mechanisms of degradation, etc. The present thesis joins this dynamic and aims at a better understanding of geopolymers and alkali activated materials to design soil injection grouts. An experimental program has been established based on selected mix designs to study their main properties. The differences between both structuration processes were determined through a physicochemical study (XRD, NMR). They were correlated to the macroscopic phenomena observed at early age. An optimization of the mixtures was carried to satisfy the application criteria and define the parameters controlling the rheological and mechanical behavior of the grouts. Using a micromechanical characterization and multiscale homogenization, a methodology has been designed to determine the elastic modulus of the materials.This can be used as a first tool to analyze the global mechanical behavior. Finally, the sensitivity to drying and exposure to acid environments was assessed.

Une solution pour réduire l’impact environnemental du béton est de substituer une partie du ciment par des additions minérales, comme le laitier de hauts fourneaux. Néanmoins, cette substitution ne doit pas réduire les performances du matériau vis-à-vis de la carbonatation, l’un des principaux phénomènes de vieillissement des structures en béton armé. La carbonatation est une réaction chimique entre la matrice cimentaire et le dioxyde de carbone présent dans l’air. Cette réaction, en plus de former du carbonate de calcium, diminue le pH de la solution interstitielle rendant ainsi les armatures vulnérables à la corrosion. Les essais accélérés de carbonatation montrent, en laboratoire, une grande disparité de comportements entre matériaux cimentaires très faiblement poreux à hautes performances mécaniques et matériaux plus poreux en usage dans les ouvrages courants. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le phénomène de carbonatation des matériaux cimentaires, notamment ceux contenant du laitier de hauts-fourneaux. Nous avons procédé en découplant les phénomènes impliqués dans la carbonatation que sont la diffusion gazeuse, les réactions chimiques et les transferts hydriques (séchage). La première partie de ces travaux de thèse a nécessité le développement et la validation d’un dispositif de mesure expérimental du coefficient de diffusion du CO2. Ce dernier a permis une étude paramétrique sur pâtes mettant en évidence l’influence de la composition et de la carbonatation sur la diffusion. La seconde partie a porté sur l’étude des cinétiques de carbonatation de pâtes en fonction du degré de saturation, après une mise à l’équilibre hydrique sur une longue période. Ces cinétiques ont été étudiées, sur échantillons de faibles dimensions, au moyen d’un suivi des évolutions pondérales et d’analyses thermogravimétriques, pour l’identification des hydrates résiduels et des carbonates formés. Nous avons ainsi mis en évidence des différences de comportement des hydrates et des liants vis-à-vis de la carbonatation impliquant la microstructure du matériau. / One solution for reducing the environmental impact of concrete is to substitute a part of cement by mineral additions, such as granulated blast furnace slag. However, this substitution should not reduce the performances of concrete with respect to carbonation, one of the main ageing phenomena of reinforced concrete structures. Carbonation is a chemical reaction between the cement matrix and the carbon dioxide from the atmosphere. In addition to the formation of calcium carbonate, this reaction results in a pH reduction of the pore solution and a risk of corrosion. Laboratory accelerated tests show a wide disparity between the carbonation resistance of high mechanical performances concretes with low porosity and the resistance of more porous and more usual ones. The objective of this thesis is to better understand the phenomenon of carbonation of cementitious materials, including those containing blast furnace slags. This work was carried out by decoupling the phenomena involved in carbonation that are gaseous diffusion, chemical reactions and water transfers. First, an experimental device for measuring the CO2 diffusion coefficient was developed. After validation, the latter was used in a parametric study carried out on cement pastes showing the influence of composition and carbonation on the diffusion coefficient. The second part of the thesis work focused on studying the kinetics of carbonation of pastes with respect to the degree of water saturation. Prior to carbonation, the studied pastes were conserved during a long period at various RH to achieve hydric equilibrium. The carbonation kinetics of small size samples of pastes was studied by means of monitoring of weight changes and thermogravimetric analyzes for identification of residual hydrates and formed carbonates. We have thus shown differences in behavior of hydrates and binders during carbonation involving the material microstructure.

Les exploitations laitières familiales sont confrontées à de nombreux défis pour durer, notamment dans le contexte d’un pays en transition comme le Vietnam, où les changements sont rapides. Afin de contribuer à la réflexion sur les modèles de fermes laitières à promouvoir (exploitations familiales ou grandes fermes), cette thèse a associé une analyse synchronique sur la diversité et la durabilité d’un large échantillon d’exploitations laitières et une analyse diachronique sur les trajectoires. 160 exploitations laitières ont été sélectionnées dans le District de Ba Vi situé en bordure de Hanoi, pour représenter la diversité des fermes présentes dans la zone. Des informations ont été recueillies lors d’entretiens directifs avec les éleveurs sur les divers types de capitaux disponibles sur l’exploitation, les pratiques d’élevage et de commercialisation du lait, et des indicateurs permettant d’évaluer les trois piliers de la durabilité. Une typologie des exploitations a été réalisée grâce à une Analyse Factorielle Multiple, basée sur la dotation en capitaux et sur les pratiques, suivie d’une classification ascendante hiérarchique. Dans une deuxième étape, une analyse des trajectoires de 25exploitations laitières, choisies à partir de l’échantillon large, et des facteurs internes et externes impactant ces évolutions, a été réalisée. En plus d’une ferme industrielle présente sur le district, 5 types d’exploitations laitières familiales ont été identifiées, qui se différencient surtout par le nombre d’activités agricoles et non agricoles pratiquées sur l’exploitation, la main-d’œuvre travaillant sur l’atelier laitier, et les équipements. Les indicateurs de performances des exploitations les plus intensives (spécialisées ou associant les cultures et l’élevage), révèlent une durabilité économique et sociale plus élevée que celle des exploitations de plus petites tailles et moins intensives. Cependant, les exploitations peu intensives ont également des atouts sur les plans économique (souplesse d’adaptation) et environnemental (autonomie fourragère), et elles présentent donc un intérêt pour le développement de la production laitière nationale. Quatre types de trajectoires des exploitations ont été identifiées, caractérisés par l’évolution du système d’activités agricoles au cours du temps, l’évolution de la taille de la production laitière, le niveau d’investissement dans le lait, l’évolution de la terre agricole et de la main-d’œuvre, les emprunts. Le maintien d’une diversité de modèles (méga fermes privées, fermes familiales spécialisées et de polyculture-élevage) semble à promouvoir, et la recherche de voies d’amélioration de leur durabilité doit être adaptée à chaque type. Des mesures politiques spécifiques pourraient être mises en place pour maintenir un tissu d’exploitations laitières diverses. / In Vietnam, dairy farms are faced with numerous challenges in terms ofsustainability in a context of a rapid transition of the economy and ecosystems. The mainquestion is whether future models for dairy production should be based on family farming orlarge-scale production. As a contribution to the discussions, this thesis has combined asynchronic analysis on the diversity and sustainability of a large sample of dairy farms and adiachronic analysis of farm trajectories. One hundred and sixty dairy farms were selected inthe peri-urban district of Ba Vi, in Hanoi, to represent the diversity of farms in the area.Information was collected during structured interviews with dairy farmers with regard to thediverse types of capital available on the farm, husbandry practices, milk marketing and theindicators to assess the three pillars of sustainability. A farm typology was conducted using amultiple factor analysis, based on capital endowment and practices, followed by an ascendinghierarchical classification. In the second stage, a trajectory analysis was carried out on 25dairy farms, chosen from a broad sample, and on the internal and external factors thatinfluence change. In the district, one industrial farm, in addition to five types of family dairyfarms were identified. The difference between farms was primarily linked to the number offarming and non-farming activities on-farm, the labour involved in dairy processing and theequipment. The performance indicators for the most intensive farms (specialized or withmixed crop and livestock production), suggest that they are more economically and sociallyviable than smaller less intensive farms. However, less intensive farms also have economicand environmental advantages (ease of adaptation and self-sufficiency in fodder,respectively). Therefore, they have potential in terms of the development of national dairyproduction. We identified four types of trajectory, characterized by the evolution in thefarming system over time, the changes in the scale of dairy production, the level of investmentin milk, the evolution in farmland and labour, and loans. It is important to maintain diversemodels (private mega farms, specialized family farms and mixed crop and livestock).Research on how to improve sustainability should be adapted to each farm type. Selectedpolicies measures could be implemented to maintain a diverse fabric of dairy farms.

L'accumulation de métaux toxiques dans le sol est principalement héritée de matériaux parents ou d'éléments résultant de l'activité humaine. Par conséquent, de nouvelles techniques sont en cours d'élaboration pour remédier à ces contaminations dans les sols pollués, telles que la phytoremédiation et la stabilisation in situ. La stabilisation in situ est une technique commune de réduction des effets négatifs des métaux et métalloïdes, tels que As, Cr, Cu, Cd et Zn dans les sols contaminés par l'ajout d'amendements. L'application de matières alcalines telles que les laitiers d'aciéries et un laitier modifié enrichie en phosphates dans le sol constitue un outil prometteur pour la réduction de la mobilité et la biodisponibilité des éléments traces dans les sols contaminés ainsi que pour l'assainissement du sol et l'amélioration de ses propriétés physique, chimique et minéralogique, ainsi que la production végétale.

La population de N'Djamena, capitale du Tchad, croît de 6 % par an, ce qui entraîne une augmentation rapide de la demande en lait et en produits laitiers. De nombreuses capitales africaines importent l'essentiel de leur approvisionnement en produits laitiers sous forme de poudre de lait. Au contraire, on constate plutôt au Tchad, un regain d'intérêt pour les produits laitiers locaux. Cette spécificité tchadienne traduit-elle une meilleure capacité d'adaptation des systèmes d'élevage aux mutations marchandes ? Pour comprendre la place qu'occupent les systèmes d'élevage locaux dans l'approvisionnement de la ville, et les liens entre la croissance du marché et l'évolution des systèmes d'élevage, une étude a été menée en périphérie de N'Djamena par la méthode de l'analyse de filière : production, commercialisation et consommation du lait et de produits laitiers. Des enquêtes ont concerné 372 consommateurs, 254 commerçants, 51 transformateurs, et 161 éleveurs. La consommation des produits laitiers locaux et importés par les ménages dépend fortement des habitudes alimentaires et du niveau de revenu du foyer. Celle des produits laitiers hors domicile est en plein essor avec le succès du rayeb, un lait fermenté entier local, distribué principalement par les bars laitiers de la ville. L'analyse du marché montre le dynamisme et la complémentarité des filières qui approvisionnent la ville en produits laitiers locaux : lait frais, lait caillé, lait de chamelle. Parmi elles, la filière « lait frais » de vache, composée de micro-entreprises de collecte, est la plus dynamique en alimentant les entreprises de transformation laitière qui valorisent ce lait local. Ainsi, les micro-entreprises laitières apparaissent comme le « moteur » principal des changements intervenus dans la filière et dans le bassin de production. L'essor de la filière lait de chamelle est lié à la spécificité du produit qui n'entre pas en concurrence avec le lait de vache ; ce lait est consommé par les populations originaires des zones pastorales du nord du pays. Le rôle des systèmes d'élevages pastoraux et agropastoraux dans l'approvisionnement de la ville en lait local est ainsi mis en évidence ainsi que ses mutations profondes sous l'effet de l'intégration au marché. Loin des clichés sur « l'élevage contemplatif », l'étude montre que le pastoralisme sahélien s'adapte aux mutations de son environnement et que ces mutations dépendent fortement du dynamisme des entreprises en aval et des évolutions des modes de consommation. Les résultats obtenus par l'approche filière permettent de formuler des recommandations aux politiques et aux projets d'appui à l'élevage cohérentes avec les caractéristiques du marché visé. Pour sécuriser l'approvisionnement en lait et en produits laitiers des villes africaines, il convient en particulier de prendre en compte les difficultés liées à la sécurisation des débouchés, à la fourniture d'intrants alimentaires et de services, et aux contraintes foncières. Les recherches futures devront mieux cerner la dynamique organisationnelle (groupements, fédérations, coopératives, contrats), et l'organisation des services (approvisionnement en intrants vétérinaires et alimentaires, micro-crédit) pour résoudre ces contraintes.