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

L'incorporation des ajouts cimentaires dans le béton est connue pour ses avantages technologiques et environnementaux. Pour assurer une plus grande utilisation des ajouts cimentaires, il faut accroître la connaissance dans ce domaine surtout les facteurs relatifs à la durabilité des ouvrages construits avec les bétons contenant des ajouts minéraux. Jusqu'à présent, la plupart des études sur les bétons contenant de la cendre volante et du laitier semblent s'accorder sur leur moins bonne durabilité à l'écaillage surtout lorsqu'on les compare au béton ordinaire. Les raisons de cette moins bonne performance ne sont pas toutes connues et cela limite bien des fois l'incorporation de la cendre volante et de laitier dans le béton pour des ouvrages fortement exposés aux cycles de gel-dégel en présence de sels fondants. Cette thèse vise la compréhension des problématiques de la durabilité à l'écaillage des bétons contenant des ajouts cimentaires tels la cendre volante et le laitier. Les objectifs sont de mieux comprendre la représentativité et la sévérité relative des essais normalisés ASTM C672 et NQ 2621-900 pour l'évaluation de la durabilité à l'écaillage de ces bétons, d'étudier l'influence de la méthode de mûrissement sur la durabilité à l'écaillage et d'étudier la relation entre la durabilité à l'écaillage et la sorptivité des surfaces de béton ainsi que la particularité de la microstructure des bétons contenant de la cendre volante. Cinq types de bétons à air entraîné contenant 25% et 35% de cendre volante et laitier ainsi que 1% et 2% de fumée de silice ont été produits, mûris selon différentes méthodes et soumis à des essais accélérés selon les deux procédures normalisées ainsi qu'un essai de sorptivité. Les différentes méthodes de mûrissement sont choisies de façon à mettre en évidence aussi bien l'influence des paramètres des essais que celle de la méthode de mûrissement elle-même. La durabilité en laboratoire des bétons testés a été comparée avec celle de bétons similaires après 4 et 6 années de service. La microstructure des bétons en service a été analysée au moyen du microscope à balayage électronique (MEB). Les résultats montrent que la qualité du mûrissement influence grandement la durabilité à l'écaillage des bétons contenant de la cendre volante et de laitier surtout lorsqu'ils sont soumis aux essais accélérés en laboratoire. La durée du prétraitement humide est un paramètre clé de la durabilité à l'écaillage des bétons testés en laboratoire. Le prétraitement humide correspond à la durée totale du mûrissement humide (100% HR) et de la période de présaturation. Pour les deux méthodes d'essai, l'allongement du prétraitement humide à 28 jours améliore la résistance à l'écaillage de tous les types de bétons et en particulier celle des bétons avec cendres volantes. Pour les deux méthodes d'essai, l'allongement du prétraitement humide à 28 jours améliore la résistance à l'écaillage de tous les types de bétons et en particulier celle des bétons avec cendres volantes. La période de présaturation de 7 jours de la procédure NQ 2621-900 a un effet similaire à celui d'un mûrissement humide de même longueur. Un mûrissement humide de 28 jours apparaît optimal et conduit à une estimation plus réaliste de la résistance à l'écaillage réelle des bétons. Pour une même durée de prétraitement humide, les procédures NQ 2621-900 et ASTM C672 donnent des résultats équivalents. L'utilisation d'un moule à fond drainant n'a pas d'effet sur la résistance à l'écaillage des bétons de cette étude. Bien que le mûrissement dans l'eau saturée de chaux offre toute l'eau requise pour favoriser le développement des propriétés du béton et l'amélioration de sa durabilité à l'écaillage, elle lessive cependant les ions alcalins ce qui diminue défavorablement l'alcalinité et le pH de la solution interstitielle de la pâte de ciment près de la surface exposée. L'utilisation d'un agent de mûrissement protège mieux les bétons contenant de la cendre volante et améliore significativement leur résistance à l'écaillage mais elle a tendance à réduire la durabilité à l'écaillage des bétons contenant du laitier. Pour développer une bonne résistance à l'écaillage, il est essentiel de produire une surface de béton imperméable qui résiste à la pénétration de l'eau externe. La perméabilité et la porosité de la peau du béton sont étroitement liées à la sorptivité. L'allongement de la durée de mûrissement humide des bétons avec ajouts cimentaires diminue systématiquement la sorptivité et améliore leur durabilité à l'écaillage, particulièrement dans le cas des bétons avec cendres volantes. Les résultats montrent qu'il existe une bonne corrélation entre les résultats des essais d'écaillage et les mesures de sorptivité. La corrélation établie entre la sorptivité et la durabilité à l'écaillage des bétons, l'effet déterminant de la carbonatation sur la durabilité à l'écaillage des bétons avec cendres volantes ainsi que l'explication de l'origine de la différence de sévérité entre les essais ASTM C-672 et NQ 2621-900 sont les contributions scientifiques de cette thèse. Au plan technique et industriel, elle met en évidence le mode de mûrissement qui favorise une meilleure durabilité à l'écaillage des bétons et suggère une méthode de caractérisation en laboratoire qui ferait une meilleure prédiction du comportement en service.

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

This project was undertaken to determine the effect of various type of lightweight coarse aggregates (LWCA) on engineering properties, durability, autogenous, drying and restrained shrinkage of SCC made with and with or without lightweight sand (LWS) used for internal curing. Given the mix design of SCC (high volume of paste), high degree of autogenous shrinkage can increase risk of early-age cracking of SCC subjected to restrained shrinkage. Shrinkcage of repair materials can be restrained by existing concrete and reinforcement. The risk of cracking of SCC can be high given the high elastic modulus of the concrete and its lower degree of stress relaxation at early age. With the process of hydration, SCC with low W/B ratio can have high degree of autogenous shrinkage. Lightweight coarse aggregate (LWCA) are water-saturated materials that provide a dispersed source of water within the mass of the concrete located very close to the cement particles. Better cement hydration can be obtained with lower development of self-desiccation. Given the morphology of the aggregate surface, the presence of water in the porous structure of the aggregate, and the compatibility of elastic modulus of LWCA and that of the cement paste, lightweight aggregate can reduce the risk of microcracking at the interfacial transition zone that can be present initially in conventional concrete as well as microcracking that can develop during service life due to repetitive structural loading, cycles of wetting and drying and freezing and thawing. The project was divided into three parts : evaluation of frost durability of SCC made with various types of LWCA ; evaluation of effect of type and dosage of LWCA on SCC performance ; and evaluation of effect of a shrinkage reducing admixture (SRA) and an expansive agent (EA) on lightweight SCC. All lightweight SCC exhibited excellent frost durability and mixtures made with 20% LWS replacement had greater resistance to de-icing salt scaling than those without LWS. Incorporation of LWCA between 25% and 50% led to decrease in modulus of elasticity and compressive strength. The use of LWCA led to an increase in total creep function. The use of LWS and LWCA resulted in significant decrease in total and autogenous shrinkage. The use of LWCA led to a decrease in total shrinkage between 25% and 75%, depending of the use of LWS, the type and rate of replacement of LWCA. Thus, SCC made with LWS and LWCA exhibited longer elapsed time before cracking compared to similar concrete prepared without any LWS and LWCA. The estimated time to cracking ranged from 4 days for the reference concrete without LWA to 42 days for the mixture prepared with 50% LWCA and 20% LWS.

Les matériaux nanocomposites fabriqués en ayant recours aux techniques par faisceau d'ions présentent des propriétés très attractives dans les domaines de l'optique, de la photonique et de la plasmonique. Cependant, la diculté d'obtenir un système avec une distribution de nanoparticules de taille et de distribution spatiale bien contrôlées limite les applications industrielles. L'objectif de cette thèse est double : d'une part, décrire de manière rigoureuse le comportement des nanostructures sous irradiation. D'autre part, rationaliser la synthèse des matériaux nanocomposites en dénissant à la fois une méthodologie de travail et en dépassant les limites intrinsèques aux techniques par faisceau d'ions. Pour cela nous avons fabriqué un système modèle composé des nanoparticules métalliques (Au) connées entre deux couches de silice. Nous montrons comment l'irradiation et la température peuvent être utilisés pour contrôler la distribution en taille des nanoparticules enfouies dans la matrice. En outre, nous montrons que pour étudier la cinétique de croissance sous irradiation, la distribution en taille des nanoparticules doit être la plus étroite possible. Notre système modèle a été ensuite utilisé pour décrire l'évolution de la phase précipité par un mécanisme de mûrissement d'Ostwald dans un système ouvert limité par la diusion. De plus, nous avons estimé la concentration seuil pour la germination, la tension de surface et la diusivité de l'or sous irradiation. Pour conclure, les mécanismes de mûrissement d'Ostwald direct en inverse sous irradiation ont été étudiés dans les détails et les modèles existants testés expérimentalement.

La déstabilisation et la fragmentation de systèmes liquides en couches minces se rencontrent fréquemment dans la nature, ainsi que dans des contextes industriels. Cette éude expérimentale entreprend de décrire, comprendre et prévoir les mécanismes des instabilités et de formation des fragments liquides.<br /><br />Une première étude concerne la brisure d'une fine bandelette liquide chutant librement dans une cellule de Hele-Shaw. Les lignes de contact mobiles introduisent des pressions différentes au niveau des interfaces et établissent un gradient de pression dans le fluide, favorisant ainsi sa déstabilisation. Une analyse de stabilité linéaire prédit correctement les taux de croissance et montre l'existence d'un plateau sur la relation de dispersion. <br /><br />Une seconde étude analyse la déformation et la brisure d'une goutte liquide au sein d'un jet gazeux. Nous montrons que la d´eformation se produit à partir d'un certain nombre de Weber critique et nous proposons un modèle sur la formation et le gonflement du sac qui s'en suit, également appelé bag-breakup.<br /><br />Une troisième étude concerne l'impact d'une goutte sur un solide de taille comparable. Nous montrons que la goutte se déorme pour former une nappe liquide entouré d'un bourrelet. Nous montrons que l'extension de la nappe déend du nombre de Weber contrairement à sa dynamique. Nous proposons également un modèle qui prédit correctement la taille de la nappe ainsi que la taille des fragments obtenus.<br /><br />Une quatrième étude est dédiée au phénomène de vieillissement des mousses. Nous exposons un nouveau dispositif expérimental de soufflerie à mousse. Nous donnons une comparaison entre les systèmes expérimentaux classiques et notre dispositif. Nous montrant également une preuve expérimentale de la loi de von Neumann.

Les mousses liquides sont très utilisées dans l'industrie comme dans la vie quotidienne. Cependant, leur stabilité n'est ni complètement comprise ni complètement maîtrisée, la formulation étant essentiellement empirique. Il est donc difficile d'une part de prédire la capacité d'une solution de tensioactifs à générer des mousses et d'autre part de prédire et de contrôler leur déstabilisation. Ce travail de thèse propose des expériences conceptuellement simples qui s'appuient sur le caractère multi-échelle des mousses pour tenter d'établir des liens clairs entre physico-chimie et mécanismes de déstabilisation. Dans un premier temps, nous avons revisité une expérience d'entraînement de films liquides sur un cadre pour illustrer la stabilité des films lors de la génération des mousses ou pendant un réarrangement (processus T1). Nous avons mis en lumière l'existence de deux régimes. Un régime dit non confiné, pour lequel la stabilité des films et réduite et dépend de la physico-chimie. Un régime dit confiné pour lequel le rôle de la physico-chimie est limité et la stabilité est majoritairement contrôlée par l'hydrodynamique.Dans un second temps nous nous sommes intéressés à l'influence de la physico-chimie et de la fraction liquide sur la compétition entre coalescence et mûrissement grâce à l'étude d'une unique couche de bulles (mousse 2D). Nous proposons une méthode de mesure in situ de la perméabilité des films par l'étude simple et rapide du régime transitoire du mûrissement de mousses 2D. Nous avons observé une corrélation entre coefficient de diffusion du gaz contenu dans les bulles et perméabilité.Enfin nous décrivons les résultats d'une expérience spatiale sur le vieillissement à temps long des mousses humides (fraction liquide supérieure à 30% en volume), extrêmement difficile sur Terre à cause du drainage gravitaire, et à laquelle nous avons participé.

Cette étude a été consacrée à l'analyse du processus d'agglomération du sulfate de potassium et de l'alumine dans un milieu liquide turbulent. La turbidité constitue une technique tout à fait adaptée à la caractérisation de l'agglomération dont les effets sont ressentis essentiellement au niveau de la distribution granulométrique de la phase dispersée. Elle permet de quantifier et d'interpréter l'effet des différents paramètres qui interviennent au cours du développement du processus: - Paramètres hydrodynamiques : La cinétique d'agglomération est conditionnée par le mécanisme de rencontre des particules, lui-même dépendant des conditions hydrodynamiques; la morphologie des agglomérats peut témoigner de cette dépendance ; - Paramètres physico-chimiques : Lorsque les particules se rencontrent les interactions interviennent et assurent ou non la cohésion de l'amas formé. Il est nécessaire, enfin, de tenir compte de l'agglomération lorsque le comportement d'un système diphasique est influencé par l'évolution de la distribution granulométrique de la phase dispersé : C'est le cas dans la plupart des procédés de cristallisation.

La physico-chimie de matériaux comme les mousses donne lieu à une physique multiéchelle d'une grande complexité. Pour pouvoir comprendre les mécanismes physiques à l'origine de la destabilisation des mousses, il est donc nécessaire de travailler sur des expériences modèles, tant du point de vue des systèmes que du dispositif expérimental. C'est ce que nous avons essayé de faire sur un certain nombre de problèmes : - Quelle est l'importance du confinement à l'échelle des films de savon ? Comment drainent des films minces et ultra-minces ? - Y a-t-il un lien entre la rupture d'un film de savon unique pendant sa génération et la coalescence d'une mousse lors de sa fabrication ? - Comment stopper le mûrissement ? - Comment faire le lien entre la physico-chimie et la condition aux limites à l'interface liquide/air ?

On utilise un verre de borosilicate de baryum comme système modèle pour étudier la séparation de phase dans les liquides. Plus spécifiquement, on considère le mûrissement dans le régime hydrodynamique visqueux, où la taille caractéristique des domaines évolue linéairement en temps : ∼ (γ/η)t, avec η la viscosité et γ la tension de surface. Le système est initialement bicontinu, ce qui est nécessaire pour ce régime de croissance.La morphologie des domaines est obtenue grâce à des expériences de microtomographie à rayons X in situ sur la ligne ID19 du synchrotron ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Des outils d’analyse d’image 3D spécialement développés pour l’étude permettent d’extraire des grandeurs d’intérêt. On a ainsi mesuré les volumes et les surfaces des domaines, les distributions de tailles de cordes, la caractéristique d’Euler et les courbures moyennes et gaussiennes locales. Ces grandeurs sont étudiées à travers le prisme de la loi d’échelle dynamique, qui prédit une croissance auto-similaire.Le système se sépare en deux phases ayant un contraste de viscosité très marqué (plusieurs ordres de grandeur). Le paramètre de contrôle essentiel est la fraction volumique de la phase la moins visqueuse. Lorsque cette phase moins visqueuse est minoritaire, elle se fragmente progressivement, jusqu’à arrêter la croissance. Cette fragmentation présente un caractère auto-similaire en raison de son couplage avec le mûrissement, ce qui génère des distributions de tailles de domaines larges, qu’on prédit sous la forme d’une loi puissance. Plus généralement, le mûrissement de la structure suit la loi d’échelle dynamique tant que la fragmentation reste marginale.On utilise un verre de borosilicate de baryum comme système modèle pour étudier la séparation de phase dans les liquides. Plus spécifiquement, on considère le mûrissement dans le régime hydrodynamique visqueux, où la taille caractéristique des domaines évolue linéairement en temps : ∼ (γ/η)t, avec η la viscosité et γ la tension de surface. Le système est initialement bicontinu, ce qui est nécessaire pour ce régime de croissance. La morphologie des domaines est obtenue grâce à des expériences de microtomographie à rayons X in situ sur la ligne ID19 du synchrotron ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Des outils d’analyse d’image 3D spécialement développés pour l’étude permettent d’extraire des grandeurs d’intérêt. On a ainsi mesuré les volumes et les surfaces des domaines, les distributions de tailles de cordes, la caractéristique d’Euler et les courbures moyennes et gaussiennes locales. Ces grandeurs sont étudiées à travers le prisme de la loi d’échelle dynamique, qui prédit une croissance auto-similaire.Le système se sépare en deux phases ayant un contraste de viscosité très marqué (plusieurs ordres de grandeur). Le paramètre de contrôle essentiel est la fraction volumique de la phase la moins visqueuse. Lorsque cette phase moins visqueuse est minoritaire, elle se fragmente progressivement, jusqu’à arrêter la croissance. Cette fragmentation présente un caractère auto-similaire en raison de son couplage avec le mûrissement, ce qui génère des distributions de tailles de domaines larges, qu’on prédit sous la forme d’une loi puissance. Plus généralement, le mûrissement de la structure suit la loi d’échelle dynamique tant que la fragmentation reste marginale. / We use a barium borosilicate glass as a model system to study phase separation in liquids. We consider here the coarsening process in the viscous hydrodynamical regime, where the characteristic length scale grows linearly with time : ∼ (γ/η)t, with η the viscosity and γ the interfacial tension. The system is initially bicontinuous, which is mandatory for this growth regime.X-ray microtomography experiments are performed in situ at the ID19 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in order to obtain the morphology of the domains. We developed dedicated image processing routines for the analysis of the 3D images. We computed the volumes and surface areas of the domains, chord-length distributions, the Euler characteristic as well as local mean and Gaussian curvatures. Dynamic scaling hypothesis predicts a self-similar growth, which served as a basis for the discussion of these measurements. The glass separates in two phases with a very high viscosity contrast (several orders of magnitude). The main control parameter in our experiments is then the volume fraction of the less viscous phase. When this low-viscosity phase is the minority one, it undergoes a gradual fragmentation that eventually stops the coarsening. This fragmentation process bears self-similar features, which result in a wide distribution of domains sizes. We indeed predict a power-law distribution. More generally, we observed that the coarsening process follows the dynamic scaling hypothesis as long as fragmentation remains insignificant.