Les réelles opportunités de croissance dont bénéficient les marchés liés à l'utilisation de fibres végétales en tant que renfort dans les matériaux composites sont intimement liées aux performances concurrentielles de ces fibres par rapport à celles de fibres de verre en particulier l’allégement, l’amortissement et l’isolation thermique. Dans l'industrie de la fibre de chanvre, le rouissage est le premier traitement appliqué aux plantes afin de faciliter la séparation des fibres de la partie ligneuse centrale de la tige. Ce traitement est actuellement réalisé de manière empirique en champ conduisant à l’obtention de fibres de qualité variable (couleur, morphologie, microstructure, composition biochimique, propriétés thermiques et mécaniques) ce qui constitue un frein à leur utilisation plus large dans des composites hautes performances. Par conséquent, la maîtrise du rouissage est primordiale. L’objectif de ce travail de thèse est de développer une approche globale de cette étape-clé de la production des fibres de chanvre en combinant à la fois l’étude du mécanisme biologique du rouissage, celle des caractéristiques intrinsèques des fibres et celle des émissions gazeuses et des odeurs associées à l’étape de rouissage. Différents items ont été particulièrement examinés :- L’influence de la durée du rouissage et de la période de récolte sur les caractéristiques intrinsèques des fibres de chanvre (couleur, morphologie, composition biochimique, microstructure, propriétés mécaniques, propriétés thermiques).- L’évolution des émissions de composés organiques volatils (COV) et de l'odeur lors du rouissage en champ.- La dynamique temporelle des densités de population des communautés bactériennes et fongiques pendant le rouissage- L'impact du rouissage en champ (climat méditerranéen) et du rouissage accéléré (conditions contrôlées en laboratoire) sur les propriétés microstructurales, thermiques et mécaniques d’un biocomposite polypropylène/fibre de chanvre / The natural fibres are increasingly used as reinforcements in polymer composites due to their challenging performances compared to conventional fibres in term of good specific mechanical properties, damping and thermal insulation. In the hemp industry, the retting is an upstream processing applied to the plants in order to facilitate the separation of fibres from the central woody part of the stem. This treatment is currently carried out in an empirical way in the fields that leads to a large variability in the hemp fibres instrinsic characteristics (color, morphology, biochemical composition, microstructure, thermal and mechanical properties) which limit their large use in high-performance composites. Therefore, controlling retting treatment is a crucial step. The aim of this thesis is to develop a global approach to this key step in the production of hemp fibers by combining the study of the biological mechanism of retting, the intrinsic characteristics of fibers and that of emissions volatile organic compounds and odors associated with the retting step. Different items were particularly examined:- The influence of retting duration and harvest period on the intrinsic characteristics of hemp fibers (color, morphology, biochemical composition, microstructure, mechanical and thermal properties).- The evolution of Volatile Organic Compounds (VOCs) and odors of hemp stems during field retting- Temporal dynamics of population densities of bacterial and fungal communities during retting- The impact of field retting (Mediterranean climate) and accelerated retting (controlled conditions in the laboratory) on the microstructural, thermal and mechanical properties of a polypropylene / hemp fibers biocomposite

La présente étude a démontré l'effet de certains additifs sur les propriétés de vieillissement des composites élastomères. Dans les travaux actuels des colorants, des pigments à hautes performances et des liquides ioniques conducteurs ont été utilisés comme additifs pour obtenir des composites à base d'élastomère, caractérisés par une meilleure résistance aux intempéries et au vieillissement et avec de bonnes propriétés mécaniques. Les propriétés mécaniques des composites d'éthylène – norbornène, ont confirmé que les colorants avec des substituants fortement donneurs d'électrons, apportent une meilleure et plus efficace protection contre le vieillissement dans le spectre solaire, que la plupart des stabilisants commerciaux utilisés dans la technologie des polymères. La partie suivante de la thèse a porté sur l'impact des liquides ioniques hydrophile et hydrophobe à base d'imidazolium dans les caoutchoucs butadiène-acrylonitrile. L'influence de la nature de l'anion (thiocyanate SCN, bis (trifluorométhylsulfonyl)imide TFSI) et de la longueur de la chaîne alkyle du cation (éthyl, hexyl) des liquides ioniques à base d'imidazolium sur la cinétique de durcissement, sur les propriétés mécanique et morphologique, sur la conductivité ionique et sur la tenue aux intempéries des composites en caoutchouc nitrile a été étudiée. Il a été constaté que l'addition de liquides ioniques hydrophobes à base d'imidazolium – TFSI – en quantité de 2,5 à 5 phr, améliore le plus efficacement les propriétés mécaniques ainsi que la conductivité ionique des matériaux composites NBR et présente un effet positif sur la matrice de caoutchouc pendant l'exposition à l'extérieur / The present study demonstrated the effect of some additives on aging properties of elastomer composites. In the current work solvent dyes, high performance pigments and conductive ionic liquids were employed as additives to obtain elastomer composites, characterized by enhanced weathering aging resistance and good mechanical properties. In the first part of the investigation, selected solvent dyes mainly with anthraquinone chromophores and high performance pigments, which exhibited high light and temperature resistance, were applied in ethylene-norbornene cyclic olefin and acrylonitrile butadiene rubber and then subjected to aging process. The mechanical properties as well as surface analysis of ethylene-norbornene composites, confirmed that solvent dyes, provided better efficient protection against aging in full sun spectrum, than most investigated commercial stabilizers used in polymer technology. Next part of thesis was focused on impact of hydrophilic and hydrophobic imidazolium ionic liquids on acrylonitrile-butadiene rubber. The influence of (thiocyanate, SCN;bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, TFSI) anion type and the length of alkyl chain (from ethyl to hexyl) for the cations of imidazolium ionic liquids on the curing kinetic, mechanical, morphological, ionic conductivity and weathering properties of nitrile rubber composites was investigated. It was found, that the addition of hydrophobic TFSI-based imidazolium ILs in quantity 2.5-5 phr, the most effectively improved, mechanical properties and ionic conductivity of the NBR composites and exhibit some positive effect on rubber matrix during outdoor exposure

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Ce projet de recherche s'inscrit dans la problématique de l'évolution et: de l'amélioration constante des normes de calcul des charpentes d'acier. L'amélioration constante des matériaux et l'apparition d'outils informatiques contribuent également à la désuétude de certains concepts utilisés dans l'élaboration d'équations normatives. Deux des principaux objectifs poursuivis par cette recherche sont de proposer de nouvelles règles de conception sur des sujets non traités dans les normes et de suggérer des révisions aux règles de calcul existantes pour tenir compte des résultats de recherche. Le projet consiste donc à comparer les règles de calcul des éléments d'une charpente d'acier proposées dans quatre normes, soit la norme canadienne (S 16-2001), la norme américaine (LRFD-2005), la norme européenne (Eurocode 3-2003) et la norme australienne (AS 4100-1998). Plus précisément, le sujet de ce mémoire porte sur le décalage en cisaillement, aussi connu sous le nom de « shear lag » ou encore « traînée de cisaillement ». Ce phénomène est plus particulièrement présent dans les assemblages, boulonnés ou soudés, où les pièces assemblées possèdent des parois non directement reliées aux pièces de transfert. Ces travaux font suite aux travaux de comparaison déjà effectués par d'autres étudiants notamment au niveau des poteaux mixtes ou encore des poutres mixtes (dalle de béton fixée à une poutre d'acier). À l'aide d'exemples de calcul et de modélisation assistée par ordinateur, la comparaison des nonnes permet de mettre en relief les différences et les ressemblances entre les équations normatives et de faciliter l'interprétation et l'intégration des résultats expérimentaux dans celles-ci. Il s'agit alors d'expliquer les divergences, de déterminer si elles sont significatives et de suggérer des modifications ou des ajouts aux normes existantes, le cas échéant. / The problematic of this research project concerns the constant renewal and improvement of standards for the design of steel structures. Two of the main goals of this research are to propose new design clauses on subject that have not yet been dealt with in standards and to suggest revisions to existing design clauses to take into account the research results. The project consists in comparing the design clauses of elements of a steel frame proposed in four standards, the Canadian standard (S 16-2001), the American standard (LRFD-2005), the European standard (Eurocode 3-2003) and the Australian standard (ACE 4100-1998). More precisely, this thesis deals with shear lag, a phenomenon that occurs in bolted and welded connections when bolts or welds transmit load to some but not ail of the cross-sectional elements. This thesis follows other comparisons already carried out by other students, for instance on composite beams and column. Using design examples and computer modeling, the comparison of the standards allows highlighting differences or convergence between code equations and in the interpretation of the experimental results. Then, divergences are explained if they are significant and improvements or additions to the existing clauses are suggested, if necessary.

Cette thèse porte principalement sur la compréhension des relations entre la microstructure et les propriétés rhéologiques des nano-composites à base d’un copolymère d’éthylène-acétate de vinyle (EVA). La première partie de l'étude concerne les nano-composites d’EVA avec de la cellulose nanocrystalline (NCC). Cette partie cherche à inférer la structure d’échantillons inconnus à l’aide de mesures rhéologiques. En analysant les propriétés obtenues par des mesures rhéologiques en cisaillement et en élongation, les principaux mécanismes étant à l’origine du renforcement de ces nano-composites sont étudiés en détail. Dans la deuxième partie du travail, on s’intéresse aux nano-composites contenant des particules isométriques (CaCO3) et anisométrique (argile). L'objectif est de déterminer l'effet de variables structurelles comme les interactions polymère-particule et particule-particule, l'état de dispersion, et en particulier la forme des particules sur les propriétés finales. Les mécanismes par lesquels ces paramètres influencent les propriétés rhélogiques ont été abordés en lien avec les prédictions par un modèle de fonction moléculaire de contrainte (MSF). Il a été constaté que plus les particules sont non-isométriques, plus les interactions polymère-particule et les interactions entre les particules sont élevées. Ainsi, l'effet de l’argile est beaucoup plus important que celui du CaCO3, et ce pour presque tous les comportements rhéologiques étudiés. La plupart des paramètres rhéologiques ont montré une divergence autour du seuil de percolation. Par conséquent, les modèles basés sur la dynamique des chaînes (modèle MSF) ne peuvent prédire le comportement après la percolation. Pour les systèmes percolés, les modèles basés sur le réseau fractal, qui considèrent les interactions entre les particules, ont été utilisés. / The main objective of this thesis is to understand the relations between microstructure and rheological properties of polymer nano-composites based on ethylene vinyl acetate (EVA) copolymer. The first part of the study is related to EVA-nano crystalline cellulose (NCC) composites. As a first step, determination of the unknown structure of the samples using rheological methods was investigated. By analyzing the properties obtained under shear and extensional deformations, the mechanisms leading to polymer reinforcement were investigated in details. In the second part, nano-composites containing isometric (CaCO3) and anisometric (clay) particles were used. The focus here was to determine the effect of structural variables such as polymer-particle and particle-particle interactions, state of dispersion, and in particular particle shape on the final properties of these nano-composites. The mechanisms involving these parameters were investigated through rheological properties and discussed with respect to experimental data. Predictions via the molecular stress function (MSF) model are also presented. It was found that higher particle anisomety led to greater polymer-particle and particle-particle interactions. Therefore, the effect of clay was much higher than CaCO3 on almost all the rheological parameters studied. But, lower predictability was found around the percolation concentration. Consequently, while a model based on chain dynamics could predict the behavior below percolation, such model failed to predict the response at higher concentrations. For percolated systems, models based on fractal networks, which include particle-particle interactions, were used.

L'optimisation de la mise en forme de tôles d'aluminium nécessite l'utilisation de logiciels d'éléments finis en grandes déformations comme LS-DYNA. La précision des simulations numériques dépend grandement de la qualité du modèle constitutif utilisé. Afin d'améliorer la qualité des simulations, Frédéric Barlat a proposé un critère d'écoulement, YLD2000, qui permet de prendre en compte le comportement anisotrope des tôles, anisotropie induite lors du laminage des plaques d'aluminium. Le présent travail consiste à identifier les différents paramètres matériels essentiels à l'utilisation du critère d'écoulement YLD2000 disponible dans LS-DYNA. Pour y arriver, différents essais mécaniques ont été réalisés, comme des essais de tractions et de gonflement hydraulique. L'essai de gonflement hydraulique a par ailleurs servi à obtenir une courbe d'écrouissage expérimentale pour des conditions de grande déformation. / The optimization of aluminum sheet and tube forming needs the use of large strain finite elements software such as LS-DYNA. The precision of the results from computer simulations depends mainly on the quality of constitutive modeling of the material. In order to improve quality of these simulations, Frédéric Barlat suggested a new yield function, YLD2000-2d. This criterion describes the anisotropic behavior of the rolled aluminum plates. This work consists to determine the various material parameters of the yield function of YLD2000-2d. In order to get these parameters, various mechanical tests were performed such as bulge test and tensile tests. Moreover, the bulge test is also used to obtain an experimental work hardening curve in large strain condition.

Cette étude vise à caractériser les propriétés physiques et mécaniques du saule, particulièrement le Salix viminalis. Le saule est envisagé comme culture à rendement élevé pour fournir de la fibre et de l'énergie de façon renouvelable. Une série d'expériences a permis d'établir que les tiges de Salix viminalis de diamètre entre 30 et 45 mm présentaient un module d'élasticité moyen de 4,92 GPa (écart-type de 0,67 GPa) et une résistance ultime moyenne en flexion de 1,08 MPa (écart-type de 0,11 MPa). La contrainte ultime moyenne en compression perpendiculaire au grain était de 3,38 MPa (écart-type de 0,71 MPa). Quant à la coupe, il a été établi qu'une vitesse périphérique de la scie supérieure à 40 m/s était nécessaire pour laisser des tiges propres après la coupe. Une vitesse entre 50 et 60 m/s avait une faible demande en puissance et en énergie (0,5 J/mm2 de surface coupée) tout en assurant une netteté de coupe adéquate. Lorsque la teneur en eau du bois était élevée (plus de 45%), une vitesse d'avancement de 3 km/h requérait peu d'énergie par rapport à une vitesse d'avancement lente à 1 km/h (demande d'énergie de 1,3 J/mm2 ). / This study aims to characterize the physical and mechanical properties of willow, especially Salix viminalis. Willow is a high yield crop that can become an important renewable source for fiber and energy. The stems of Salix viminalis with a diameter between 30 and 45 mm had an average modulus of elasticity of 4.92 GPa (standard deviation of 0.67 GPa) and an average ultimate resistance in flexural loading of 1.08 MPa (standard deviation of 0.11 MPa). The average ultimate constraint in compression perpendicular to the grain was 3.38 MPa (standard deviation of 0.71 MPa). As for the cut, it was established that a peripheral speed of the saw over 40 m/s was necessary to offer clean stems after the cut. A speed between 50 and 60 m/s required low power and energy (0.5 J/mm2 of cut surface) while ensuring a clean cut. When the water content of the wood was high (above 45%), a forward speed of 3 km/h resulted in low energy compared to a slow forward speed of 1 km/h (energy needs of 1.3 J/mm2 ).

La mise en oeuvre des composites bois-plastique exige de résoudre trois difficultés: le manque d'adhésion des particules de bois au polymère (dispersion et propriétés mécaniques affectés), la dégradation thermique des particules et la variabilité des propriétés du bois. La mise en oeuvre ici a été faite par rotomoulage ou en moulage compression pour des teneurs variables en poudre de bois et en agent couplant. Les propriétés mécaniques en flexion, en torsion, en traction et en resilience, en plus des propriétés physiques en vieillissement accéléré, en sollicitation thermique et les dimensions structurales ont été caractérisées. Les résultats montrent qu'indépendamment du type de sollicitation (traction, flexion ou torsion dynamique) la rigidité et la résistance des échantillons composites rotomoulés est moindre que ceux obtenus en moulage par compression. Néanmoins, la résistance à l'impact des échantillons rotomoulés est comparable à celle obtenue en moulage compression. En vieillissement accéléré, les échantillons composites ont subit un changement de couleur qui dépend de la teneur en bois et de la qualité de la surface. La clarté augmente avec le temps de vieillissement et les échantillons jaunissent dans les premières heures, puis évoluent vers le bleu.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / L’objectif de cette étude fut d’établir l’effet de la teneur en humidité d’équilibre et de la température sur les constantes élastiques du bois d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). La méthode de six éprouvettes fut utilisée pour déterminer les constantes élastiques à huit conditions hygrothermiques, soit à quatre teneurs en humidité (7%, 13%, 17% et au-dessus de la saturation des membranes) et à deux niveaux de température (30°C et 50°C). Les mesures de déformabilité ont été faites en compression axiale. La déformation axiale fut mesurée avec un capteur linéaire Sangamo DG1.0 (LVDT). La déformation transverse fut mesurée avec un capteur extensométrique à demi–anneau (CEDA). Les résultats ont indiqué que la déformabilité du bois augmente au fur et à mesure que son humidité d’équilibre augmente. De plus, pour une même humidité d’équilibre, le bois devient plus déformable à mesure que la température s’élève de 30°C à 50°C. / The objective of this research was to study the influence of the equilibrium moisture content (EMC) and temperature on the mechanical properties of black spruce wood (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). The six specimen technique was used to determine the elastic parameters under eight hygrothermal conditions: four EMC (7%, 13%, 17% and above the fiber saturation point) at two temperatures (30°C and 50°C). Measurements were made in axial compression tests. Axial strain was measured using a Sangamo DG1.0 linear displacement sensor (LVDT). Transverse strain was measured using two semi-ring extensometers. The results show than wood deformability increases as EMC and temperature increase. Furthermore, at the given EMC, wood deformability increases as temperature increases from 30°C to 50°C.

Pour répondre à une demande concernant la réutilisation des matériaux bitumineux, des travaux, réalisés dans le cadre de la chaire de recherche i3C, ont évalué l'effet des granulats bitumineux recyclés (GBR) sur le comportement mécanique de cinq mélanges de matériaux recyclés (0, 30, 50, 60 et 70 % GBR). Les principaux objectifs de ce projet étaient de caractériser le comportement résilient et en déformation permanente de ces matériaux ainsi que d’évaluer la variabilité sur chantier et d’apporter des solutions novatrices aux problèmes. Des essais en laboratoire ont été réalisés sur les cinq mélanges et des essais sur le terrain ont été entrepris sur deux chantiers dans la grande région de Québec et un dans la région de Drummondville. Des essais en laboratoire sous charge roulante ont aussi été réalisés avec le simulateur routier de l’Université Laval (SimUL). Les données recueillies sur le terrain au déflectomètre à charge tombante (LWD) et au pénétromètre dynamique (DCP), ainsi qu’en laboratoire en cellule triaxiale ont permis de documenter les caractéristiques et le comportement mécanique des matériaux retraités. Le projet a permis de montrer que les matériaux à teneur élevée en GBR sont plus sujets à accumuler des déformations permanentes. L'utilisation de matériaux avec plus de 50 % GBR peut donc augmenter les problèmes d'orniérage. Toutefois, dans le but de remédier à ce préjudice, un modèle qui relie le taux de déformation (B) à la teneur en GBR et à la contrainte déviatorique est proposé. Cette nouvelle approche permet de calculer le renforcement des chaussées basé sur un rehaussement de l'épaisseur d’enrobé en vue de diminuer la sensibilité à l’orniérage de couches retraitées. / In order to respond to an increasing demand for re-using bituminous materials, this study, carried out under the Research Chair i3C, has evaluated the effect of recycled asphalt pavement (RAP) on the mechanical behavior of a recycled base materials for five different RAP content (0 , 30, 50, 60 and 70% RAP). The main objectives of this project were to characterize the resilient and permanent deformation of these materials as well as assessing their variability on site and provide innovative solutions for the different issues. Laboratory tests were conducted on the five mixtures and field trials were carried out on three sites in the greater Quebec area. Some aspects were also tested in the road simulator apparatus of Laval University (SimUL). The data collected in the field with the light weight deflectometer (LWD) and the dynamic cone penetrometer (DCP) and also the triaxial cell has documented the characteristics and mechanical behavior of recycled base material. The project showed that materials with a higher RAP content are more likely to accumulate permanent deformation. Using base materials with more than 50% RAP can increase rutting problems. However, in order to overcome this prejudice, a model that relates the rate of deformation (B), the RAP content and the deviatoric stress is proposed. This new approach propose to evaluate the enhancement of the asphalt thickness needed to reduce the sensitivity to rutting of a recycled base layer.

La compréhension des propriétés mécaniques de la microstructure des bétons verts est l'un des principaux intérêts de recherche dans l'industrie du ciment et du béton. Ce rapport traite de l'étude de pâtes de ciment ordinaire et d'une pâte de ciment avec ajout de laitier en couplant un à un les réponses chimiques et mécaniques mesurées à l'échelle nanoscopique. Les techniques expérimentales utilisées sont la technique de la nanoindentation ainsi que l'analyse chimique quantitative par microscopie électronique à balayage couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDS). L'analyse mécanique comprend la mesure d'un coe_cient de relaxation basé sur un approfondissement de la théorie existante de la technique de la nanoindentation. Les résultats comportent une étude déterministe basée sur la chimie, une méthode permettant de déterminer la nature d'une surface indentée à partir des rapports des éléments atomiques mesurés à l'aide du MEB-EDS à cet endroit, et permettant de la lier directement la réponse mecanique mesurée à l'aide de la technique de la nanoindentation. Une étude statistique basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance est aussi réalis ée pour déterminer les réponses mécaniques et chimiques des di_érentes phases présentes. On trouve que la majorité des microvolumes d'interaction des expérimentations mécaniques et chimiques est composée de plusieurs phases. Il a également été possible de déterminer les réponses mécaniques du monosulfoalumite et de l'hydrotalcite combiné à du C_S_H, des produits d'hydratation importants de la pâte de ciment avec ajout de laitier. / One of the main interests of the cement and concrete industries is to better understand the mechanical properties of green concrete systems. This report provides a nano-investigation approach with a one-to-one coupling of the mechanical and chemical responses of ordinary cement pastes and a cement paste with an addition of blast furnace slag. This is achieved by using the technique of nanoindentation and a quantitative investigation of the chemistry by using the scanning electron microscopy coupled with the energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The mechanical analysis includes the measurement of a relaxation coe_cient, an extension of the already known theory of the nanoindentation technique. The results are implemented with a deterministic analysis of the chemistry, a method allowing the determination of the nature of an indented area from the atomic ratios measured by using the SEM-EDS on this spot, and which can be directly linked to the mechanical responses measured by the nanoindentation tests. A statistical analysis based on the maximum likelihood estimation is also performed in order to identify the mechanical responses of the di_erent chemical phases present. It is found that the most of the microvolumes probed by the mechanical and chemical investigation are heterogeneous composites with intermixing. We could also determine the mechanical properties of monosulfoalumite and hydrotalcite combined with C_S_H, important hydration products of cements with slag additions.