Différents matériaux carbonés nanostructurés ont été synthétisés et mis en oeuvre comme matériaux supercapacitifs à double couche électrochimique (EDLC) ou comme substrats de matériaux pseudocapacitifs avec pour objectif d'augmenter leur densité de puissance. Nous avons ainsi développé une méthode de synthèse simple et originale de carbures de silicium (SiC) qui procède par une réduction topotactique d'un composite silice/carbon par le magnésium. Du fait de la température de synthèse inférieure à 800°C, SiC résultant conserve la morphologie et/ou la structure poreuse du précurseur composite. Par cette approche, nous pouvons moduler la structure poreuse ordonnée de SiC à façon, développer des porosités hiérarchiques méso/macro, préparer des feuillets ou des fibres de SiC. Les différentes formes de SiC ont été converties par chloration en autant de carbones, opération introduisant une microporosité supplémentaire. En électrolyte organique, ces carbones à porosité hierarchique combinent à la fois des capacités importantes issues de la microporosité mais également des performances inégalées en terme de puissance du fait de la méso ou macro-porosité associée. Dans une approche différente, des feuillet de graphène ont été décorés par voie sol-gel non-hydrolytique (micro-onde en milieu alcool benzilique) par des nanoparticules de FeOx. Le composite FeOx/graphene résultant combine simultanément les comportements EDLC et pseudocapacitif du graphène et de FeOx. Du fait de sa structure particulière, le composite FeOx/graphene conserve les performances en puissance du graphène auxquelles s'ajoutent celles d'énergie de FeOx. Nous avons également décoré des nanofibres de carbone avec des carbones mésoporeux. Après dépôt de MnO2 birnessite, les composites gagnent à la fois en capacité et en puissance en particulier avec des carbones présentant des pores supérieurs à 10nm. / Various nanostructured carbon materials were synthesized and further served as active materials of electrical double layer capacitor or substrates of pseudocapacitive materials in order to improve power capability of corresponding supercapacitor. On the one hand, a simple synthesis of porous silicon carbides (SiCs) was achieved by performing a topotactic thermal reduction by magnesium (Mg) of a silica/ carbon composite. Thanks to the low synthetic temperature (below 800 ºC), the SiCs well preserved the pristine skeletons of their silica/carbon precursors. Successively, the SiCs with diverse porous structures from their silica/carbon precursor emerged, e.g. ordered tunable mesoporous SiCs, 3D-hierarchical meso and macroporous SiC, SiC nanosheet and SiC nanofiber. Furthermore, the porous SiCs derived from magnesio-thermal reduction were reduced to hierarchical carbons with newborn narrow distributed microporosity by chlorination. In an organic electrolyte, the hierarchical carbon combines the high specific capacitance from narrow distributed microporosity and the outstanding rate capability from ordered-arranged meso or macroporosity that make it promising for high power and energy density capacitor. On the other hand, a “benzyl alcohol route” has been used to decorate RGO nanosheets with FeOx nanoparticles. The resulting FeOx/ RGO composite, due to their hybrid nanostructure, combine both EDLC capacitive and pseudocapacitive bahaviors of RGO and FeOx, respectively. Thanks to the laminated RGO and nano FeOx particles film, the resulting composite gains the same power capability as RGO and a higher energy density than raw FeOx. Furthermore, mesoporous carbon was introduced to adorn the CNF surface through self-assemble of resol, carbon nanofiber(CNF) and Pluronic@127. After further coating with birnessite-MnO2, the composite electrode gains extra capacitance and power improvement in presence of superficially coating mesoporous carbon with pore size larger than 10nm.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de liants aluminosilicatés que sont les géopolymères. La première partie de ce travail a consisté à caractériser la texture poreuse des géopolymères, par des techniques intrusives (porosimétrie à eau, adsorption-désorption d’azote, intrusion mercure) et non-intrusives (diffusion des rayons X et des neutrons aux petits angles). Le terme « texture poreuse » regroupe la forme et la taille des pores, le volume poreux, la surface spécifique et la connectivité des pores. En parallèle, l’évolution de la texture poreuse et des propriétés mécaniques a été suivie sur une période de deux ans, en évitant les échanges avec le milieu extérieur afin d’étudier l’évolution intrinsèque des géopolymères. La seconde étape a consisté à étudier les propriétés thermodynamiques, la structure et la dynamique de l’eau confinée dans la porosité, par calorimétrie différentielle à balayage basse température, par diffusion des neutrons et par des essais de migration. La structure poreuse des géopolymères est complexe, puisqu’il s’agit d’une porosité multi échelle, méso- et macroporeuse, essentiellement ouverte et connectée. Elle consiste en un réseau vermiculaire de mésopores et un réseau de macropores connecté via les mésopores. La taille caractéristique (comprise entre 4 et 10 nm environ) et le volume des mésopores dépendent de la formulation de la pâte de géopolymère, à savoir de la teneur en eau, du rapport molaire Si/Al et de la nature du cation compensateur de charge. Il a été montré que les géopolymères étudiés sont très poreux, la porosité représentant entre 40 et 50 % du volume total du matériau. Le volume mésoporeux représente entre 7 et 15 % du volume total, le reste étant attribué à un volume macroporeux. Au cours du temps, la porosité des géopolymères se ferme légèrement, ceci étant attribué à un mécanisme de dissolution-reprécipitation au niveau des murs de pores. Les propriétés mécaniques atteignent un maximum entre 7 et 10 jours, puis sont stables dans le temps lorsque les échantillons sont conservés à 20°C et à l’abri du séchage ou de la carbonatation de la solution porale. Par ailleurs, trois types d’eau ont été mises en évidence au sein des pores : (i) l’eau liée chimiquement et/physiquement à la surface des parois, (ii) l’eau libre confinée dans les mésopores, et (iii) l’eau libre dans les macropores. A l’échelle locale, les molécules d’eau possède une mobilité proche de celle de l’eau libre, tandis qu’à l’échelle macroscopique, une diminution d’un ordre de grandeur du coefficient de diffusion a été observé, avec un effet probable de la taille des mésopores. / In this study, we have investigated the porous network of geopolymers. The first step consisted in characterizing the structure of the porous network by the means of both intrusive experimental techniques (water porosimetry, gas sorption and mercury intrusion) and non-intrusive techniques (small-angle X-ray and neutron scattering). By the same time, the evolutions of the porous structure as well as the mechanical properties were followed over time. The second step was to determine the structure, the thermodynamics and the dynamics of water confined in the porosity by differential scanning calorimetry, quasi-elastic neutron scattering and migration tests.Geopolymer pore structure is a complex multi-scale porosity, a meso- and macroporous network, essentially open and connected. It consists in a vermicular mesoporous network which connects the macropores. The mesopore characteristic size depends on the formulation of the geopolymer paste and is ranged between about 4 and 10 nm. Geopolymer have a total pore volume comprised between 40 and 50 %, the mesoporous volume represents between 7 and 15 % of the material global volume. The majority of the pore volume is then attributed to macropores. A slight closure of porosity was observed with time and was attributed to a dissolution-precipitation mechanism occurring at pore wall interfaces. The mechanical properties reach a maximum within 10 days, and then are stable over time when the samples were kept from drying and carbonation and at the temperature of 20°C. Besides, three kinds of water were highlighted inside the porosity: (i) an interfacial water linked at the pore surfaces, (ii) free water inside the mésopores and (iii) free water inside macropores. At local time scale, the mobility of water was found close to the one of free water, and at the macroscopic scale, a decrease in diffusion coefficient of one order of magnitude was observed, together with an effect of mesopore size.

AUne étude théorique et expérimentale de la propagation acoustique dans les milieux à double porosité soumis à l’écoulement de liquides turbides est présentée. Deux matériaux à double porosité supposés obéir à l'extension faite par Berryman et Wang (1995) de la théorie de Biot en régime basse fréquence sont examinés : (i) le ROBU® dont les grains poreux individuels, formés de minuscules billes verre de borosilicate 3.3, sont quasi-sphériques et (ii) la Tobermorite 11 Å dont les grains poreux individuels à base de ciment sont de formes très irrégulières. Nous proposons, d’une part une modélisation numérique de la propagation acoustique à travers une maquette de forme parallélépipédique remplie d’un milieu à double porosité, et d’autre part une validation expérimentale en laboratoire. Les caractérisations du milieu à double porosité par la voie mécanique sont également présentées. Les essais de traçage en vue de la caractérisation du transport et du dépôt de particules en suspension dans le liquide turbide, sont effectués. Les interprétations des résultats sont basées entre autres sur le temps de transfert, le taux de restitution, la capacité de rétention, le profil spatial de la rétention et le tri granulométrique des particules transportées. L’objectif de nos travaux de recherche est de développer une méthode d’investigation non destructive permettant une évaluation du degré de colmatage résultant du dépôt des particules fines dans les pores, par exemple. / A theoretical and experimental study of wave propagation in double porosity media submitted to the flowing of turbid liquids is led. Two samples of double porosity materials assumed to obey Berryman and Wang’s extension (1995) of Biot’s theory in the low frequency regime are considered : (i) ROBU® (pure binder-free borosilicate glass 3.3 manufactured to form the individual grains) and (ii) Tobermorite 11 Å ( the individual porous cement grains show irregular shapes). We propose on the one hand a numerical study of wave propagation through a rectangular box filled with a double porosity medium and, on the other an experimental validation in laboratory. The characterizations of the double porosity medium by using mechanical tools are also presented. The tracing tests for characterizing the transport and the deposition of suspended particles contained in saturating liquids, are realized. The interpretations of the results are based on the transfer time, the restitution ratio, the retention capacity, the spatial profile of the retention and the size sorting of transported particles. The aim of our research is to develop a method for non-destructive testing that allows an assessment of the degree of clogging resulting from the deposition of fine particles in the pores, for example.

Lors de l'élaboration de pièces métalliques de grandes dimensions, la présence interne de pores est habituellement observée. Ces défauts internes sont généralement refermés lors des premières passes de transformation à chaud. Il y a cependant à l‘heure actuelle un manque de connaissance sur les mécanismes mis en jeu lors de cette refermeture, et par conséquent aucune prédiction précise possible et un taux de rebut assez important. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à mieux comprendre les mécanismes de refermeture en identifiant les paramètres procédés, matériaux et morphologiques clés lors de la refermeture. Ce travail s'est déroulé dans le cadre d'un consortium industriel impliquant six partenaires. La problématique industrielle est donc particulièrement variée en termes de matériaux, de procédés et d'états initiaux de pores.Une étude approfondie des modèles existants dans la littérature est d'abord présentée. Les deux familles d'approches utilisées sont discutées : l'approche explicite en champ complet, et l'approche micro-analytique. Il est montré que ces deux approches ne sont pas suffisantes pour établir un modèle de prédiction dont la précision réponde aux enjeux industriels.Une nouvelle approche est donc proposée dans cette thèse à l'échelle mésoscopique. Les mécanismes de refermeture sont étudiés à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), permettant une description 3D particulièrement précise des mécanismes locaux, tout en appliquant des conditions aux limites représentatives des états mécaniques mis en jeu à l'échelle macroscopique.Les mécanismes locaux ont été étudiés au moyen d'une vaste campagne de simulations éléments-finis 3D à l'échelle d'un VER. Les paramètres étudiés sont : les paramètres matériaux, la morphologie du pore, et le chargement thermomécanique subit durant la déformation. L'étude a montré que la morphologie et l'état de contraintes sont de premier ordre sur le comportement en refermeture, et que les paramètres matériaux sont de second ordre. Les influences des paramètres de premier ordre ont ensuite été quantifiées afin de proposer un modèle de prédiction de refermeture robuste. La morphologie du pore est exprimée par le biais de ses dimensions équivalentes (rapports d'élongations tridimensionnels) et de son orientation par rapport à la direction principale de déformation. L'état de contraintes est exprimé par le taux de triaxialité des contraintes.Le modèle a finalement été implémenté dans un code éléments finis de mise en forme et une validation sur cas industriels est présentée afin d'évaluer les bénéfices obtenus par ce nouveau modèle par rapport aux modèles de la littérature. Une validation expérimentale a également été menée par le biais d'essais d'écrasements d'échantillons poreux dont l'état de porosité a été mesuré par micro-tomographie aux rayons X avant et après les essais. / During production of large metal workpieces, an internal presence of voids is usually observed. Such internal defaults are generally closed up during the first passes of hot forming processes. Yet, there is at present a lack of knowledge regarding void closure mechanisms and there is no reliable model that can accurately predict void closure. The amount of non-deliverable products is consequently relatively high. The present work aims to better understand void closure mechanisms with respect to the involved materials, processes and voids' morphological parameters. This work was supported by an industrial consortium involving six partners. The industrial issues were thus particularly diversified in terms of materials, processes and initial void states.An extensive study regarding existing models in the literature is first presented. Two main approaches are discussed: the explicit full-field approach and the micro-analytical approach. It is shown that none of both approaches is sufficient to precisely predict void closure according to the industrial issues.A new approach is thus proposed at the mesoscale. Void closure mechanisms are studied using a representative volume element (RVE). Using this approach an accurate tridimensional description of the void state can be obtained at the RVE scale. Boundary conditions can also be imposed in order to accurately represent thermomechanical conditions from the macro-scale.Local mechanisms of void closure are studied using a large campaign of 3D finite element simulations at the RVE-scale. The studied parameters are: the materials parameters, the void's morphology and the thermomechanical loading that a void might undergo during hot forming processes. The study shows that both the void's morphology and the stress state exhibit a first-order influence on void closure. Materials parameters exhibit a second-order influence on void closure. A new reliable prediction model is thus proposed with respect to the first-order parameters. The void's morphology is quantitatively studied in terms of equivalent dimensions (tridimensional aspect ratios), and orientation (with respect to principal deformation direction). The stress state is expressed using the stress triaxiality ratio.The proposed model was finally implemented in a material forming finite element software. Validation cases are presented using industrial processes in order to highlight the benefits and limitations of this new model with respect to the existing models from the literature. An experimental validation was also performed using compression tests of porous samples. The samples were examined using X-ray micro-tomography before and after compression.

Lors des dix dernières années, les films multicouches ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique pour leurs propriétés innovantes. Principalement issus de l’association de polyélectrolytes et/ou de nanoparticules de différentes morphologies, ils ont ouvert la voie à la fabrication d’une nouvelle catégorie de matériaux nanoporeux, possédant des propriétés optiques attractives telles que la coloration structurale et l’antireflet. Les films multicouches à base de deux nanoparticules de charges opposées sont plus rares et permettent de jumeler les propriétés des deux nanoparticules utilisées et d’en faire émerger de nouvelles. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux nanoparticules anisotropes, de facteurs d’aspects contrôlés et respectivement bio/geosourcées : les nanocristaux de cellulose (NCC) et des nanotubes d’imogolite. Le but de cette étude est d’étudier la possibilité de créer un film multicouche bio-géo inspiré à base de ces deux nanoparticules par immersion et d’en étudier les propriétés optiques. Dans un premier temps, nous avons comparé les films multicouches NCC/Ge-imogolites à ceux plus communément décrits dans la littérature, à savoir, des films à base de NCC ou d’imogolite associés à un polyélectrolyte de charge opposée. Les différents paramètres de trempage comme le temps d’immersion et la force ionique de la suspension ont été variés afin d’obtenir une densité de film optimale. Pour finir la porosité des films et leur comportement dans l’eau ont été étudiés par QCM-D, ainsi que leurs propriétés optiques par mesure de transmittance. / In the past decade, multilayer thin films drew the scientific community attention for their unique properties. Indeed, principally made of an association of polyelectrolytes and/or nanoparticles, of various morphologies and chemistries, they allow the design of a range of porous nanomaterials with unique optical properties, such as structural colors or anti-reflectivity. Less commonly described, thin films made of two nanoparticles of opposite charges are gaining interest since they combine the properties of the two nanoparticles used, and generate new ones through their association. In this study, multilayer coatings were formed through the association of two anisotropic oppositely charged nanorods of well-controlled aspect ratio, i.e. bio-based anionic cellulose nanocrystals (CNC) and geo-based cationic Imogolites. This study deals with the feasibility to create a bio-geo-inspired multilayer thin film based on these two nanoparticles by dipping and characterize their optical properties. Firstly, elaboration of multilayered thin films from CNC and Ge-Imogolites nanorods, were studied in comparison with reference films incorporating CNC or Imogolites with polyelectrolytes bearing opposite charges of the nanorods. Multilayered thin films were assembled by the dipping procedure and various parameters (adsorption time, ionic strength, etc.) were varied to investigate the optimal density for the film. To finish, film porosities were investigated using QCM-D, and optical properties were investigated by transmittance measurements.

Les batteries lithium-air et Li-S sont des techniques prometteuses pour un stockage efficace d’énergie électrochimique. Les principaux défis sont de développer un électrolyte solide à haute conductivité ionique et des cathodes efficaces. Dans ce travail, des aérogels de carbone conducteurs avec une double porosité ont été synthétisés en utilisant la méthode de sol-gel. Ils ont été utilisés comme cathode dans des batteries lithium-air. Ces cathodes peuvent fournir deux types de canaux pour le stockage de produits de décharge, facilitant la diffusion gaz-liquide et réduisant ainsi le risque de colmatage. Presque 100 cycles été obtenus avec une capacité de 0,4 mAh et une densité de courant de 0,1 mA/cm². Pour le développement d'électrolyte solide stable et conducteur, les sulfures, en particulier Li4SnS4 et son dérivé Li10SnP2S12 ont été particulièrement étudiés. Ces composés ont été synthétisés en utilisant une technique en deux étapes comprenant la mécanosynthèse et un traitement thermique à température relativement basse qui a été optimisé afin d'améliorer la conductivité ionique. La meilleure conductivité obtenue est de 8,27×10-4 S / cm à 25°C et ces électrolytes présentent une grande stabilité électrochimique sur une large gamme de voltage de 0,5 à 7V. Les couches minces ont également été déposées en utilisant la technique de pulvérisation cathodique, avec en général une conductivité ionique améliorée. La performance des batteries Li-S assemblées avec ces électrolytes massifs doit être améliorée, en particulier en améliorant la conductivité ionique de l'électrolyte. / Lithium-air and Li-S batteries are promising techniques for high power density storage. The main challenges are to develop solid electrolyte with high ionic conductivity and highly efficient catalyzed cathode. In this work, highly conductive carbon aerogels with dual-pore structure have been synthesized by using sol-gel method, and have been used as air cathode in Lithium-air batteries. This dual- pore structure can provide two types of channels for storing discharge products and for gas-liquid diffusion, thus reducing the risk of clogging. Nearly 100 cycles with a capacity of 0.4mAh at a current density of 0.1 mA cm-2 have been obtained. For developing stable and highly conductive solid electrolyte, sulfides, especially Li4SnS4 and its phosphorous derivative Li10SnP2S12 have been particularly investigated. These compounds have been synthesized by using a two-step technique including ball milling and a relatively low temperature heat treatment. The heat treatment has been carefully optimized in order to enhance the ionic conductivity. The best-obtained conductivity is 8.27×10-4 S/cm at 25°C and the electrolytes show high electrochemical stability over a wide working range of 0.5 – 7V. Thin films have also been deposited by using the sputtering technique, with generally improved ionic conductivity. The performance of the Li-S batteries assembled with these bulk electrolytes is still to be improved, particularly by improving the ionic conductivity of the electrolyte.

L’intensification des procédés de décontamination des eaux et de purification des gaz (biogaz ou gaz naturel) est un des enjeux primordiaux pour les années à venir. Pour arriver à relever ce défi, il est nécessaire de développer des adsorbants innovants qui vont améliorer les capacités d’adsorption et les cinétiques d’adsorption et qui peuvent être utilisés en flux continu. Le travail sur la mise en forme des adsorbants, sans ajout de liants, pour augmenter les capacités d’adsorption et le contrôle de leur porosité à plusieurs échelles, pour améliorer la diffusion des ions et des molécules est primordial. La zéolithe FAU-X est utilisée industriellement dans de nombreuses applications comme le piégeage du CO2, la purification des biogaz et du gaz naturel, la séparation des gaz de l’air, la séparation des xylènes et pourrait se révéler aussi très intéressante pour le piégeage du Cs radioactif des effluents nucléaires de part sa grande sélectivité. La FAU-X est utilisée dans des procédés en continu sous forme de particules extrudées de 1 à 3 mm contenant 20-30 wt% de liant argile. Des travaux actuels visent à diminuer la quantité de liant dans les particules et à développer des mises en forme monolithiques contenant des macropores, pour faciliter le transport de matière en utilisant par exemple le « freeze-casting » ou l’impression 3D. Cependant, l’ajout de liant est toujours nécessaire.Une nouvelle approche développée dans cette étude est la mise en forme sans liant de la FAU-X en particules de 1 mm et surtout sous forme monolithique avec une macroporosité contrôlée, homogène et interconnectée. Ceci permet de maximiser le transport de matière et ainsi conduire à une meilleure intensification des procédés et une manipulation plus aisée, notamment dans le cas du traitement d’effluents nucléaires. Ces nouvelles synthèses et mises en forme de la FAU-X utilisent le concept de la transformation pseudomorphique de monolithes silice-alumine, obtenus par alumination de monolithes de silice issus d’un procédé sol-gel combiné à une séparation de phase particulière, la décomposition spinodale en présence de polymères (polyéthylène oxyde). La maîtrise de toutes les étapes de synthèse et de la composition du milieu réactionnel a permis d’obtenir des monolithes de FAU-X pure dont le squelette est formé par une agrégation de nanocristaux de FAU-X. Les monolithes FAU-X présentent ainsi trois types de porosités, micro-/ méso et macroporosité, idéales pour améliorer le transport de matière. Les mésopores résultent de l’espace entre les nanocristaux.Ces monolithes FAU-X nanocristaux ont été testés en flux continu pour le piégeage du Cs contenu dans de l’eau naturelle (eau d’Evian) contenant de multiples cations en compétition. Des résultats remarquables ont été obtenus, avec des courbes de percée idéales, témoignant d’une excellente capacité d’adsorption en condition dynamique. L’efficacité des monolithes FAU-X nanocristaux est comparable au matériau de référence, des particules de silice contenant l’adsorbant le plus sélectif pour le Cs, le Bleu de Prusse, avec en plus l’avantage d’être sous forme monolithique, donc plus aisé à manipuler. Des tests préliminaires en statique ont été effectués pour l’adsorption du CO2 et révèlent des capacités d’adsorption identiques à des FAU-X pures. Les tests en flux continu restent à faire pour évaluer l’adsorption en régime dynamique.Les monolithes FAU-X nanocristaux de cette étude présentent les caractéristiques nécessaires pour être utilisés en intensification des procédés. / The process intensification of water decontamination and gas purification (biogas or natural gas) is one of the key issues for the future. To meet this challenge, it’s necessary to develop innovative adsorbents that will improve the adsorption capacity and adsorption kinetics and can be used in continuous flow. Working on adsorbents shaping without addition of binders to increase their adsorption capacities and on the control of their porosity at several scales (micro-/meso-/macroporosity) to improve ions and molecules diffusion is essential. The FAU-X zeolite is used industrially in many applications such as CO2 capture, biogas and natural gas purification, air separation, xylenes separation and could also be very interesting for trapping radioactive Cs of nuclear wastewater because of its high selectivity. FAU-X is used in continuous processes in the form of extruded particles of 1 to 3 mm containing 20-30 wt% of clay binder. Current works aim to reduce the amount of binder in the particles and develop monolithic shaping containing macropores to facilitate the mass transfer using for example the "freeze-casting" or the 3D printing methods. However, the addition of binders is always necessary.A new approach developed in this study is the binderless shaping of FAU-X into particles (1 mm) and especially into monoliths with a well-controlled homogeneous and interconnected macroporosity. This particular macroporosity was shown to maximize the mass transfer in various applications and thus lead to high process intensifications and an easier handling, especially in the case of the treatment of nuclear wastewater. These new syntheses and shaping of FAU-X use the concept of pseudomorphic transformation of silica-alumina monoliths, obtained by alumination of silica monoliths synthesized from a sol-gel process combined with a particular phase separation, the spinodal decomposition in the presence of polymers (polyethylene oxide). The control of all synthesis steps and the composition of the reaction medium has led to monoliths of pure FAU-X phase, whose skeleton is formed by an aggregation of FAU-X nanocrystals. FAU-X monoliths have three types of porosities, micro-/ meso- and macroporosity, suitable for improving the mass transfer. Mesopores result from the space between nanocrystals.These FAU-X nanocrystals monoliths were tested in continuous flow for the trapping of Cs contained in natural water (Evian water) containing several competing cations. Remarkable results have been obtained, with ideal breakthrough curves, exhibiting excellent adsorption capacity in dynamic conditions. The efficiency of FAU-X nanocrystals monoliths is comparable to the reference material, which is composed of Prussian Blue nanoparticles (the most selective adsorbent for Cs) immobilized in silica particles, with the added advantage of being in monolithic shape and so easier to handle. Preliminary tests of CO2 adsorption in FAU-X nanocrystals monoliths were carried out in static conditions and reveal that the adsorption capacity of the monoliths is equivalent to pure FAU-X crystals. Continuous flow tests remain to be done to evaluate adsorption capacities in dynamic mode.The FAU-X nanocrystals monoliths developed in this study have the characteristics necessary to be used in process intensification for various applications.

La valorisation de résidus agricoles, industriels ou urbains se révèle, à mesure des recherches et des avancées, un recours pertinent aux défis s’imposant à l’industrie de la terre cuite et au domaine de l’habitat. L’incorporation de résidus agricoles à travers des produits conventionnels a permis au long de cette étude une économie de ressource argileuse et d’énergie, tout en améliorant les performances mécaniques et thermiques à la base des matériaux de construction. Des matières végétales ajoutées au mélange argileux de fabrication entrainent une formation de porosité, durant la cuisson des produits, selon la libération d’espaces occupés par les particules, à des températures allant de 200 à 400°C. Les pores en formation adoptent alors les formes et les tailles de particules constitutives, en procurant une maitrise de la microstructure et des propriétés usuelles de la terre cuite. Les résidus agricoles à fines particules se décomposent au sein de la matrice argileuse et procurent, en réduisant la taille moyenne des pores, une amélioration des performances mécaniques de près de 40%. Les matières végétales à particules fibreuses suscitent en revanche une augmentation de l’anisotropie originelle de la microstructure et une amélioration notable de 40% des performances thermiques. La combustion de la matière organique assure, en prime, un apport énergétique au procédé de cuisson s’élevant à 35% des besoins en combustible et compensant un coût d’achat éventuel. L’incorporation de matières végétales au sein des produits de terre cuite apparait comme un succès sur le plan économique, environnemental et technique en raison d’une valorisation matière, entrainant une amélioration des performances usuelles, et d’une valorisation énergétique, accordant une réduction des consommations en gaz et des émissions en dioxyde de carbone. / Waste and biomass valorization appears, on a way of research and advances, as a relevant answer in the challenge offered to the clay bricks industry and housing field. Incorporations of agricultural wastes into clayey ceramic bodies accorded, along those investigations, raw material and energy savings, since improving the mechanical and thermal properties on the basis of every building material. Biomass incorporations amongst argillaceous mixtures induce a porosity formation through the firing process under a release, on a range of temperatures going from 200 to 400°C, of the material spaces previously filled by the organic particles. The porous cavities assume the sizes as well as shapes of the biomass particles and provide a microstructure control affording a functional properties command. The agricultural wastes including thin particles fade out into the clayey bodies and provide, through a median pore size reduction, an improvement of the mechanical strength up to 40%. Crops residues showing fibrous particles induce on the other hand an increase of microstructure and porous network anisotropy, leading to a tremendous improvement of nearly 40% in the insulation behavior. The biomass combustion provides a calorific contribution as well, to the industrial process of firing, surrounding 35% of the usual fuel requirements and supplies an eventual cost of agricultural wastes. Biomass incorporation into clayey ceramic appears as a success on economical, environmental and technical terms, according to the material purpose offering an improvement of the functional performances, and energy purpose assuming a diminution of gas consumptions or a reduction of carbon dioxide release.

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

Résumé : Des études récentes menées à l'Université de Sherbrooke ont montré que la poudre de verre possède des propriétés pouzzolaniques très intéressantes et peut être utilisée comme ajout cimentaire alternatif. Les premiers résultats de ces études ont révélé que la poudre de verre performe mieux dans des bétons de rapports E/L élevés comparativement à ceux de rapports E/L faibles. En effet, lorsqu’un même taux de poudre de verre est incorporé dans des bétons de rapports E/L différents, notamment E/L = 0,55 et E/L = 0,40 avec des dosages en liant respectifs de 350 kg/m3 et de 400 kg/m3; une pénétrabilité des ions chlorure similaire dans les deux cas est observée suggérant une bonne durabilité de ce type de béton même à des rapports E/L élevés. Les objectifs visés dans ce projet qui porte sur l’étude de la durabilité en milieux agressifs des bétons incorporant la poudre de verre sont (1) la consolidation de la tendance révélée par la poudre de verre dans les deux types de bétons en élargissant le rapport E/L tout en incluant d’autres ajouts minéraux classiques pour fin de comparaison de leurs effets; (2) la mise en évidence de l'efficacité de la faible pénétrabilité des ions chlorure des bétons malgré leurs rapports E/L élevés, vis-à-vis de la résistance à certains phénomènes de dégradation ou agents extérieurs potentiellement agressifs tels que les sulfates, les chlorures, la carbonatation ou la corrosion. Cette étude s’intéresse également à la caractérisation mécanique et microstructurale permettant de comprendre et d'élucider les mécanismes d'action de la poudre de verre afin de cerner davantage son comportement dans les matrices cimentaires. Pour cela, plusieurs rapports E/L variant de 0,35 à 0,65 (0,35 ≤ E/L ≤ 0,65) ont d’abord été considérés pour formuler une première série de bétons ayant différents dosages en eau. Les résultats de la résistance en compression, de la pénétrabilité des ions chlorure et de la perméabilité à l’eau obtenus de ces investigations sont en parfait accord avec la tendance initialement observée pour les deux rapports E/L = 0,55 et 0,40. Par la suite, trois (3) rapports E/L de 0,55, 0,45 et 0,40 ont été sélectionnés pour reproduire une seconde série de bétons pour les études des propriétés de transports des bétons et des essais de vieillissement accélérés tels que la carbonatation et la corrosion. Tandis que la résistance aux sulfates a été évaluée sur des échantillons de mortiers. Les principaux résultats montrent une légère augmentation de la porosité totale et de la perméabilité au gaz des bétons en présence de la poudre de verre ou de la cendre volante de classe F. Cependant, la perméabilité à l’eau et les autres propriétés de transport impliquant les ions chlorure se trouvent considérablement réduites en présence de la poudre de verre ou des autres ajouts classiques. L'efficacité de la faible pénétrabilité des bétons en présence de la poudre de verre quel que soit le rapport E/L, est bien mise en évidence vis-à-vis de l'initiation à la corrosion induite par les chlorures mais l’est relativement peu sur l'évolution du front de carbonatation initiale accélérée. Par ailleurs, tout comme la cendre volante et contrairement au laitier, les bétons incorporant la poudre de verre développent lentement des résistances à la compression à jeune âge. Toutefois, une combinaison de la poudre de verre avec du métakaolin présente de très bonnes synergies et permet de pallier le déficit de résistance à jeune âge de ce type de béton. Il ressort de cette étude que les effets de la poudre de verre sur les propriétés du béton, s’apparentent essentiellement à ceux de la cendre volante de classe F. Globalement les résultats de cette étude mettent en exergue la contribution substantielle de la poudre de verre à l’amélioration de la résistance des bétons aux attaques extérieures étudiées et supportent son emploi dans les matériaux de construction. // Abstract : Recent research conducted at the Université de Sherbrooke showed that glass powder has very interesting pozzolanic properties and can thus be used as an alternative cementitious material. These investigations showed that glass powder performs better in concretes with high water-to-binder ratio (w/b) than those with low w/b ratio. Similar penetration of chloride ions was measured for concrete incorporating the same rate of glass powder but designed with w/b ratios of 0.55 and 0.40 (with binder dosages of 350 kg/m³ and 400 kg/m³, respectively), indicating good durability of this type of concrete even at higher w/b ratio. The present study investigates the durability of concrete incorporating glass powder in aggressive environments. It aims (1) to consolidate the trend previously described by extending the range of investigated w/b ratios and (2) to highlight effectiveness of the low chloride ions penetrability despite a high w/b of concretes on their resistance against aggressive external agents such as sulphates, chlorides, carbonation or corrosion. This study also examines the mechanical and microstructural properties of concretes to understand and elucidate the reaction mechanisms of the glass powder, in order to better identify its behavior in cementitious matrices. For comparison purposes, conventional supplementary materials are also included in the investigation. Several w/b ratios (0.35 ≤ w/b ≤ 0.65) were considered in a first series of concretes. The results obtained from these investigations, in terms of compressive strength, penetrability of chloride ions and water permeability, are in a good agreement with the trend previously observed for w/b=0.55 and w/b=0.40. In a second series of concretes, three w/b ratios (0.55, 0.45 and 0.40) were selected for in-depth investigations of transport properties and accelerated aging tests, i.e., carbonation and corrosion. The sulfate resistance was also evaluated on mortar specimens. The main results showed a slight increase of total porosity and gas permeability of concretes in presence of glass powder (or class F fly ash). However, water permeability and other transport properties involving chlorides are strongly reduced in presence of glass powder (or the other conventional additions). Low penetrability of concrete in presence of glass powder, regardless of the w/b ratio, was well demonstrated with results of the initiation of corrosion test induced by chloride. However, a similar positive effect of glass powder was not observed with the progression of the initial accelerated carbonation front. Moreover, concrete incorporating glass powder develops relatively low compression strength at early age (similarly as fly ash and unlike slag). However, a combination of glass powder with metakaolin provided very good synergetic effects and contributed in improving the early-age resistance. Finally, this study showed that the effects of glass powder on concrete properties are generally similar to those of class F fly ash. Overall, the results of this study highlight the significant contribution of the glass powder in improving the resistance of concrete against the external attacks and promote the large-scale use of this product in building materials.