La présente étude porte sur la caractérisation des particules fines des différentes fractions (< 400 um, < 160 um, < 80 um) des matériaux granulaires MG-20 de fondation routière par l'essai au bleu de méthylène. Elle se situe dans le cadre de la Chaire de Recherche en Exploitation des Infrastructures soumises au Gel (CREIG) de l'Université Laval. L'influence de la dimension des particules fines soumises à l'essai vis-à-vis du degré d'adsorption du bleu de méthylène a été évaluée à l'aide de l'essai au bleu de méthylène conventionnel, suivant la norme «LC 21-255, "détermination de la valeur au bleu de méthylène des sols et des granulats» du Ministère des Transports du Québec, MTQ », et selon l'approche développée à l'université Laval, à l'aide d'un spectrophotomètre. Les essais au bleu de méthylène ont montré que la détermination de la valeur au bleu (VB) ou de la surface spécifique (Ss) des sols à l'aide du spectrophotomètre élimine plusieurs facteurs d'erreur que l'on retrouvait avec la méthode conventionnelle (i.e. méthode du papier filtre). Ainsi, il s'est avéré que la valeur au bleu à l'aide du spectrophotomètre (VBs) est plus adéquate que la valeur au bleu avec la méthode du papier filtre (VBPF) du fait que la procédure utilisée pour l'obtention de ces valeurs est la plus objective. Il a été aussi démontré que les relations établies entre la surface spécifique (Ss) et le pourcentage des fines inférieures à 80 um (% particules fines <80 um) sont beaucoup plus valides que celles faites à partir du pourcentage de fins, puis celles représentant l'influence du type du minéral argileux et sa proportion par rapport à la masse totale dans le sol. De plus, l'approche développée par Konrad (1999) entre le potentiel de ségrégation (SP0) et les propriétés d'indice sur des sols fins a indiqué une forte corrélation entre le potentiel de ségrégation (SP0), la surface spécifique des fines < 80 um (Ss <so um) et la dimension moyenne des fines < 80 um (dso (FF)) du MG-20. Il a été montré également que la valeur au bleu (VB) ou la surface spécifique (Ss) des fines non argileuses, déterminées par la méthode d'adsorption de bleu de méthylène, sont fortement influencés par l'état de surface et la porosité intragranulaire du grain, menant ainsi à des surestimations de la capacité d'adsorption du matériau dont les grains sont altérés.

Dans la majorité des agences de transports, il est commun de restreindre la distribution de la taille des grains des MG 20 par l'utilisation de fuseaux granulométriques. Pourtant, des variations de la performance allant de subtiles à très marquées peuvent être mesurées à l'intérieur d'un même fuseau granulaire. Ceci est vrai malgré le fait que certains fuseaux sont relativement serrés, comme c'est le cas entre autres au Québec, particulièrement en termes de pourcentage de particules fines, pour contrer les effets du gel. Il semble donc nécessaire d'arriver à mieux comprendre et expliquer l'influence des modifications granulométriques sur diverses qualités que doivent présenter les MG 20. Cette thèse présente donc la synthèse d'une étude détaillée en laboratoire analysant l'effet de la granulométrie sur la performance globale des MG 20, quantifiée par la sensibilité aux contraintes mécaniques et environnementales. En caractérisant le comportement mécanique, hydrique et thermique de six courbes granulométriques de formes variées, il a été possible d'identifier les principaux indicateurs, directement ou indirectement reliés à la granulométrie, en lien avec divers types de performance des MG 20 pour trois sources de granulats typiquement retrouvées au Québec. Les résultats montrent que la sensibilité aux contraintes environnementales peut être globalement décrite par un paramètre lié à la volumétrie des particules fines et que la sensibilité aux contraintes mécaniques est reliée à divers indicateurs granulométriques liés à diverses fractions granulométriques. Afin d'arriver à proposer des matériaux ayant un comportement global bonifié pour divers contextes de performance, il a été suggéré de subdiviser la plage de variation maximale de chaque paramètre de performance en quatre niveaux de performance. Ceci permet, pour des contextes de performance typiques au Québec et leurs principaux mécanismes de dégradation associés, de suggérer des zones granulométriques relativement continues et définissant des matériaux ayant un comportement optimisé pour ces divers contextes. Cette approche offre une latitude nécessaire permettant de prendre en compte les diverses caractéristiques souhaitables des MG 20, pour les divers paramètres de performance, qui sont souvent complémentaires.

Le projet de maîtrise présenté consiste en l'étude comparative de la performance en laboratoire de matériaux granulaires (MG) stabilisés. Les travaux ont été réalisés en laboratoire à l'aide d'essais de cisaillement direct et indirect par compression non confiné sur un MG-20B. Les paramètres variés lors de l'étude sont la concentration, la teneur en eau, la proportion et le pourcentage de particules fines. Les matériaux stabilisant expérimentés proviennent de trois familles de produits : agents d'agglomération de particules (ciment type-GU), agents de cohésion chimiques (CaCb et saumure naturelle) et autres agents (polymères). Les essais ont permis de définir une matrice de produits stabilisants qui sera utilisée pour les essais à l'aide du Simulateur climatique et mécanique. Elle comprend les deux types de produits soit les produits abat-poussières (CaCh, saumure naturelle et polymère) et les produits stabilisants (ciment, polymère). Cette matrice servira lors des prochains essais en laboratoire et sur le terrain.

Les glaces de paroi résultent du gel progressif des eaux de ruissellement sur une falaise. Dans le nord de la Gaspésie (Québec, Canada), soixante de ces glaces, parfois volumineuses (&gt; 3000 m3), ont été localisées près des routes. Entre 2000 et 2012, le Ministère des Transports du Québec (M.T.Q.) a effectué 440 interventions pour déblayer les blocs de glace tombés sur la chaussée. Une meilleure compréhension des mécanismes de croissance, de fonte et d’écroulement des glaces de paroi est nécessaire pour améliorer la gestion du risque. Des échantillons de glace ont été prélevés et leur microstructure analysée par tomodensitométrie et polarisation croisée. L’évolution volumétrique de quatre glaces de paroi a été modélisée à l’aide de différents modèles thermodynamiques et validée à partir de mesures du volume de glace effectuées au LiDAR. Une méthode de prévision des chutes de blocs de glace a été développée en comparant les dates des interventions du M.T.Q. avec les données météorologiques d’Environnement Canada. Les résultats ont permis de décrire les mécanismes de croissance des quatre types de glace constituant les glaces de paroi. Les modèles ont permis de démontrer que le gel de l’eau suite au transfert de chaleur par convection de l’air est le principal responsable de leur croissance. La fonte des cascades de glace, issues du gel des eaux d’une chute, est principalement initiée par l’augmentation du débit. Celle des carapaces de glace, issues du gel d’une résurgence, est plutôt le résultat de la convection de l’air et du bilan radiatif. Le calcul des degrés-heures de gel (ou de fonte), s’est avéré efficace pour modéliser l’évolution des carapaces de glace d’orientation nord. L’ajout du bilan radiatif à ce modèle a amélioré ses performances et permis une modélisation convenable de celle exposée au sud. Enfin, les effets des variables météorologiques sur l’occurrence des chutes de blocs de glace ont été simulés à l’aide de modèles logistiques. Le calcul des degrés-jours de fonte et le suivi du meilleur modèle statistique permettent de prédire l’écroulement de certaines glaces de paroi à quelques jours près. C’est une étape importante vers une gestion plus efficace de l’aléa. / The growth of rockwall icings result from the gradual freezing of runoff on a cliff. In northern Gaspésie (Québec, Canada), sixty of these sometimes voluminous ice formations (over 3000 m3) were located near roads. Between 2000 and 2012, 440 interventions to remove ice blocks from the road were conducted by the “Ministère des Transports du Québec” (M.T.Q.). A better understanding of the growth, melt and collapse dynamics of rockwall icings is needed to improve the management of this natural hazard. Ice samples were collected and their microstructure analyzed by computed tomography and under cross polarized light. The ice volume evolution of four rockwall icings was studied using various thermodynamic models and validated from ice volume measurements made with LiDAR imaging. An ice blocks fall forecasting method was developed by comparing the timing of M.T.Q. interventions with meteorological data. The results were used to describe the growth mechanisms of four different types of ice formation found on rockwalls. The models showed that freezing of the water to cold air convection is the main process responsible for their growth. In spring, the melting rate of the ice cascade or frozen waterfall clearly depends on the sensible heat carried by the increasing water flow. The melting of the ice walls formed from the freezing of seeping water coming from underground water resurgences rather is the result of air convection and the radiation heat budget (Qrad). A simple model based on the calculation of the freezing, or melting, degree-hours was also effective for simulating the evolution of the north facing ice walls. Including Qrad to this model improved its performance and allowed accurate modeling of the south facing ice wall. Finally, the effects of meteorological variables on the occurrence of ice blocks falls were simulated using logistic models. By following the trends of the melting degree-days and the best statistical model, it is possible to forecast the collapse of some of the most problematic rockwall icings and target the most hazardous periods along northern Gaspésie roads. This study is an important step towards a more effective management of this natural hazard.

Selon les modèles de climat mondial présentés par le Groupe d'experts intergouvernementaux sur l'évolution du climat (GIEC), il faut s'attendre à des changements marqués du climat sous de hautes latitudes. Les impacts d'un réchauffement climatique d'importance sur les populations inuites du Nunavik et leur environnement sont nombreux. Les infrastructures du nord sont également affectées par le réchauffement climatique. Des signes de dégradations pouvant devenir critiques ont été observés sur certaines infrastructures du Nunavik. Il s'avère donc nécessaire et primordial de mettre en place et de développer des techniques pour prévenir et contrôler la dégradation des infrastructures nécessaires aux peuples inuits, afin d'assurer la qualité de vie et la sécurité de ces derniers. Ce projet vise donc principalement à tester, en laboratoire et sur le terrain, des méthodes de stabilisation thermique du pergélisol sous les remblais routiers. L'efficacité et la faisabilité des méthodes expérimentées sont analysées selon les caractéristiques de l'environnement du Nunavik, par l'analyse de données thermiques et également par des observations faites sur le terrain et en laboratoire. Un site expérimental sur le chemin d'accès de l'aéroport de Salluit a permis la mise en place sur le terrain de trois différentes méthodes de mitigation, soit le remblai à convection, le drain thermique et la surface réfléchissante. À ce stade de l'expérimentation, il est difficile de tirer de véritables conclusions sur l'efficacité réelle des méthodes implantées, mais il est possible d'émettre des recommandations concernant la mise en place de méthodes de protection. Les travaux de laboratoire ont porté sur l'expérimentation d'un modèle réduit de remblai routier. Ils ont permis de démontrer que la mise en place d'un remblai à convection et d'un drain thermique dans l'épaulement du remblai tend à diminuer les températures, donc probablement la dégradation du pergélisol et les risques de tassements. Ultimement, le projet vise à développer une stratégie réaliste d'adaptation des infrastructures de transport du Nunavik affectées par le réchauffement climatique.

Le réseau routier forestier québécois compterait près de 400 000 km de chemins mais aucune caractérisation à large échelle de l’état des infrastructures routières, et plus précisément des traverses de cours d’eau, n’a encore été effectuée à ce jour. Ce projet visait à étudier la fréquentation et l’entretien des chemins, l’état des traverses et leur durée de vie. Les observations relevées sur le terrain dans de petits bassins versants d’une dizaine de kilomètres carrés ont ensuite permis d’extrapoler les résultats à de plus grands territoires. Il a été découvert que la plus récente base de données gouvernementale de chemins était incomplète. En effet, certains chemins n’ont jamais été cartographiés tandis que d’autres ont disparu des bases de données. Par conséquent, plusieurs bases de données ont été utilisées pour quantifier le nombre total de chemins. Les caractéristiques des chemins contenues dans les bases de données et le type de territoire faunique ont ensuite permis d’estimer leur niveau de fréquentation et d’entretien. Il y aurait 29% de chemins fréquentés, 34% de chemins peu fréquentés et 37% de chemins abandonnés. Uniquement 21% du total de ces chemins seraient entretenus. Ensuite, il a été démontré que l’état des traverses dépendait des matériaux, de leur âge et de l’entretien des chemins. Il y aurait en moyenne 54% des traverses de cours d’eau dans un état de dégradation avancé. Les vieux chemins non entretenus abritaient la plus grande proportion de traverses en mauvais état. La localisation des traverses à partir de données cartographiques s’est avéré être inefficace car les bases de données de chemins et de cours d’eau étaient trop incomplètes pour générer des résultats satisfaisants. Enfin, il a été démontré que la durée de vie des traverses en bois, en plastique et en acier était respectivement inférieure à 23 ans, supérieure à 17 ans et entre 25 et 30 ans.

Cette étude cherche à estimer l'élasticité-prix de la demande pour les segments du principal réseau d'autoroutes payantes du Mexique ainsi que d'établir quels sont les facteurs qui déterminent sa magnitude. L'expérience mexicaine sur la concession d'autoroutes illustre le risque d'ignorer la sensibilité de la demande au péage. L'élasticité-prix est estimée en utilisant une analyse de régression sur des données de type panel. Les résultats indiquent que les usagers des autoroutes payantes du Mexique sont plus sensibles aux variations des prix qu'on s'y serait attendu. En outre, la valeur absolue de l'élasticité-prix à court terme diminue selon la longueur du segment routier et selon la proportion de camions lourds dans les voix alternatives. Ce résultat pourrait impliquer que la sensibilité aux variations du péage diminue quand les économies potentielles de temps augmentent et la dégradation des routes alternatives due au trafic lourd accroît.

La forêt boréale canadienne est fragmentée par plusieurs centaines de milliers de kilomètres de routes. Ces routes sont souvent construites sur des tourbières, un type de milieu humide caractérisé par son accumulation de tourbe, ce qui peut avoir plusieurs impacts sur l'environnement, comme la perturbation de la circulation de l'eau, la perte locale de séquestration du carbone et l'enrichissement en nutriments du site adjacent à la perturbation. Une nouvelle approche de restauration a été testée sur une tourbière affectée par un chemin utilisé dans le cadre de l'extraction des sables bitumineux dans la région de Fort McMurray en Alberta. Cette nouvelle approche consiste en l'extraction partielle du substrat minéral formant la route, l'application de matériel végétal directement sur le substrat minéral résiduel exposé, et la création de canaux souterrains pour favoriser la circulation de l'eau au niveau de la nappe phréatique à travers la route. Le succès de la méthode de restauration a été évalué en fonction de quatre objectifs : 1) rétablir l'homogénéité de la nappe phréatique de part et d'autre de la route; 2) établir de conditions de surface favorables à des communautés végétales typiques des fens; 3) limiter l'impact de la route sur les conditions physico-chimiques de la tourbière entourant la route; et 4) favoriser le retour de communautés végétales typiques des tourbières de la région. Les résultats de cette étude démontrent que la technique de restauration employée permet une meilleure circulation de l'eau et des conditions de surface favorables aux espèces ciblées. Malgré ces améliorations, la route continue à exercer un léger effet de barrage dans les six premiers mètres de la tourbière adjacente. Un effet d'enrichissement en nutriments de la tourbière a été constaté jusqu'à une distance de 2 m d'éloignement de la route. Le succès du rétablissement des communautés végétales n'a pu être confirmé au cours de cette étude se déroulant les deux premières années post-restauration, comme la régénération de communautés ciblées peut prendre plus de trois années. Comme ce projet est l'un des premiers à tester le transfert de la couche muscinale directement sur substrat minéral d'une route, une expérience en serre a également été effectuée afin de déterminer quelles espèces de sphaignes et d'autres mousses sont les mieux adaptées à la colonisation du substrat minéral dans le nord de l'Alberta. Le taux de survie de sept espèces de bryophytes a été évalué sur une période de quatre mois en fonction de la présence ou l'absence d'ombrage. Toutefois, d'autres expériences en serre seront nécessaires pour corroborer ces résultats, et pour étudier un plus grand nombre d'espèces de mousses et ainsi déterminer quels taxons sont plus aptes à coloniser un substrat minéral. Bien que davantage de recherches soient nécessaires, les connaissances acquises lors de cette étude permettront à l'industrie, à des instances gouvernementales et d'autres organismes œuvrant dans les milieux humides à continuer de développer des techniques de restauration prometteuses sur substrat minéral en milieu humide et ainsi promouvoir un développement plus durable en réduisant leur empreinte écologique. / The Canadian boreal forest is fragmented by several hundreds of thousands of kilometers of roads. These roads are often built on peatland, a type of wetland characterized by its accumulation of peat. Roads can have several impacts on the environment, such as the nutrient enrichment of the nearby peatland and the disruption of the water flow. A new reclamation approach was tested on a bog disturbed by a road used for oil sands extraction in the Fort McMurray region, in Alberta. This new approach consists in the partial extraction of the road mineral substrate (in order to rewet the road), the application of the Moss Layer Transfer Technique directly on the residual mineral substrate, and the creation of channels to induce a better water flow at the water table level through the road. The success of the restoration technique is assessed on the basis of four objectives: 1) restoring the homogeneity of the water table on both sides of the road; 2) establishing surface conditions favorable to the target plant communities; 3) mitigating the impact of the road on the physicochemical conditions of the adjacent peatland; 4) restoring plant communities typical of the region's peatlands. The results of this study show that the restoration technique used makes it possible to induce better water flow and surface conditions favorable for the targeted species. However, despite these improvements, the road continues to have a dam effect on the water flow coming from the adjacent peatland. Additionally, an enrichment effect for several chemical elements and components up to a distance of 2 m from the road have been measured in the peatland. As this project is one of the first of its kind to apply the Moss Layer Transfer Technique directly on mineral substrate of a road, a greenhouse experiment was carried out to determine which Sphagnum and other moss species are best suited for the colonization of mineral substrate in northern Alberta. The survival of seven bryophyte species was assessed over a four-month period based on the presence or absence of shading. Further greenhouse experiments will be needed to corroborate these results, to study a greater number of moss species and thus determine which taxa are more apt to colonize a mineral substrate. Although more research is needed, the knowledge acquired during this study will allow industry, government and other organizations working in wetlands to continue to develop promising wetland restoration techniques on mineral substrate and thus promote a more sustainable development by reducing their ecological footprint.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur. / The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / L’utilisation de systèmes de béton chauffant électriquement conducteur en conditions hivernales constitue une alternative intéressante pour prolonger la durée de vie des structures et pour assurer la mobilité et la sécurité des usagers de la route. En remplaçant certaines composantes conventionnelles du béton, il est possible d’augmenter suffisamment sa conductivité électrique pour que ce dernier dégage de la chaleur lors du passage d’un courant électrique. L’utilisation de ce type de système dans des zones à grande sensibilité hivernale est une option pour remplacer les techniques présentement utilisées pour le déneigement et le déglaçage souvent mauvaises pour l’environnement, inefficaces, endommagent les structures en plus d’être très coûteuses. Néanmoins, le succès d’un tel système demande une bonne élaboration du mélange de béton électriquement conducteur et une configuration d’électrodes permettant un dégagement de chaleur uniforme. L’automatisation par des capteurs augmente l’efficacité énergétique du système en activant ce dernier seulement quand le besoin se manifeste, c’est-à-dire en conditions de chute de neige, de pluie verglaçante ou de brouillard givrant. L’objectif principal de ce projet de recherche est de développer un système automatisé de fonte de neige et de glace en optimisant les recettes de béton et la position des électrodes précédemment mentionnés vers des solutions économiques et efficaces. Dans ce mémoire, le développement de mélanges de bétons et de mortiers électriquement conducteurs sera développé, en plus de l’élaboration d’une configuration d’électrodes rencontrant des critères de sécurité et de consommation énergétique. Ces réalisations par étapes en laboratoire seront suivies par des essais en conditions réelles hivernales sur un prototype de 1.1m² installé sur le campus de l’Université Laval. Les succès de ce travail de recherche présentent des résultats et confirment le côté innovateur et le potentiel commercial du système élaboré. / The use of electrically conductive heated concrete systems in winter conditions is an interesting alternative to extend the life of structures and to ensure the mobility and safety of road users. By replacing some conventional components of concrete, it is possible to increase its conductivity sufficiently to release heat when electric current passes through it. Using this type of system in strategic points can be an option to replace techniques currently used for snow and ice removal, which are bad for the environment, are not effective, cause damage to structures and are very expensive. Nevertheless, the success of such a system requires a good elaboration of the electrically conductive concrete mix design and a configuration of electrodes that releases heat uniformly. Sensor automation increases the energy efficiency of the system by activating the latter only when the need arises, i.e. under snowfall, freezing rain or freezing fog conditions. The main objective of this research project is to develop an automated snow and ice melting system using the previously mentioned concrete and electrodes. In this thesis, the development of electrically conductive concrete and mortars mix designs will be presented, in addition to the development of an electrode configuration that meets criteria of safety and energy consumption previously established by the searchers. These laboratory steps will be followed by tests in real winter conditions on a 1.1m² prototype installed on Laval University’s campus. The successful results confirm the innovative side and commercial potential of the developed system.