Résumé non communiqué / Résumé non communiqué

En 1987, la commission sur l'environnement et le développement des Nations-Unies définissait le développement soutenable/durable par ‘‘un développement qui répond aux besoins actuels sans compromettre les capacités des générations futures à répondre au leur’’. Cette définition vise à améliorer/maintenir la qualité de vie de l'humanité avec le temps en perspective. Le développement durable met en exergue trois actions : la diminution des besoins, l'utilisation d'énergies propres et renouvelables et le recyclage. Cette thèse vise à proposer des éléments de réponses à trois questions scientifiques : RQ1 : Comment évaluer l'impact environnemental résultant de l'exploitation des ressources minérales, en tenant en compte de leur abondance, de leur composition chimique, de leurs propriétés physiques et des effets de leur extraction?RQ2 : Comment évaluer la performance du recyclage, en prenant en compte les différentes pertes (de quantité et de qualité)?RQ3 : Substituer de l'énergie fossile par de la biomasse s'inscrit-il toujours dans le cadre du développement durable?La méthode émergétique est principalement utilisée pour cette recherche. Elle est complétée par l'exergético-écologie, l'empreinte carbone ou l'analyse exergétique du cycle de vie.L'émergie spécifique initiale (avant exploitation) des 42 minéraux les plus utilisés dans l'industrie est proposée, tout en respectant le principe de hiérarchisation des matériaux formulé par Odum. La performance environnementale du recyclage métallurgique a été étudiée tout en tenant compte des pertes de matière et de qualité. Une transformité moyenne et trois ratios sont proposés, permettant de quantifier une solution qualifiable de ‘‘éco-conception’’. Finalement, l'intérêt d'une substitution d'un combustible fossile par de la biomasse a été analysé à l’aide de deux exemples concrets. / In 1987, the United Nations World Commission on Environment and Development defined sustainable development as ‘‘development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs’’. The aim is to continuously improve the quality of life for both current and future generation without increasing the use of natural resources beyond the Earth's carrying capacity. The entire life-cycle of natural resources, from their extraction to their final disposal as waste, engenders negative environmental impacts. Waste recycling and the substitutionof excessively polluting resources with alternatives are considered as the key components of sustainable resource management. The flow of the thesis is formalized in the following three research questions:RQ1: Is it possible, and if so how, to assess the environmental impacts resulting from the exploitation of mineral resources, taking into account their abundance, their chemical and physical properties and the effects of their extraction?RQ2: Is it possible, and if so how, to evaluate the environmental performance of recycling, taking into account the chemical, physical and thermodynamic limits of the process?RQ3: To which extent a partial or complete substitution of fossil fuels with biomass is an environmentally friendly solution?The work is essentially based on the emergy approach, but also other environmental assessment tools has been used such as the exergoecology approach, the exergetic life cycle assessment and the carbon footprint. The specific emergy of about 42 main commercially used minerals has been calculated, respecting the material hierarchy developed by Odum. The environmental performance of metallurgical recycling has been studied, taking into account for the material and quality losses during the process. The use of an average transformity is proposed and three sustainability ratios have been defined to assess the benefits and limits of recycling processes. Finally, in order to determine the environmental impact of using biomass as substitute for fossil fuels, two concrete examples has been studied.

Dans le but d'étudier les possibilités de gestion avancée du plutonium dans les réacteurs actuels, 8 stratégies de multi-recyclage du plutonium dans des REP sont étudiées. Suite à des études à l'équilibre, il a été montré que, en utilisant des assemblages homogènes, l'utilisation du thorium ne permet pas de réduire les inventaires de plutonium en cycle à l'équilibre ni la production d'américium. En répartissant les différents types de combustibles au sein d'un même assemblage, certaines stratégies thoriées permettent cependant d'obtenir des inventaires et des productions d'américium inférieur aux meilleures stratégies utilisant uniquement le cycle uranium. Cependant dans tous les cas, le faible taux de conversion des combustibles thoriés en REP conduit à l'impossibilité de faire baisser la consommation de ressources de plus de quelques pour-cent par rapport aux stratégies sans thorium. Afin d'étudier la transition, une participation active au développement du code de scénario CLASS a eu lieu. Elle a aboutie à la simulation de deux scénarios parmi ceux étudiés à l'équilibre avec CLASS. Ces simulations ont montrées des écarts avec les scénarios simulés précédemment. Les causes majeures de ces écarts ont été identifiées et quantifiées. / In order to study the possibility of advanced management of plutonium in existing reactors, 8 strategies for plutonium multi-recycling in PWRs are studied. Following equilibrium studies, it was shown that, by using homogeneous assemblies, the use of thorium cannot reduce the plutonium inventory of equilibrium cycle or production of americium. By distributing the different fuel types within the same assembly, some thoriated strategies allow however lower inventories and lower production americium best strategies using only the uranium cycle. However, in all cases, low fuel conversion theories in PWRs makes it impossible to lower resource consumption more than a few percent compared to strategies without thorium. To study the transition, active participation in development of the scenario code CLASS has been taken. It led to the two simulation scenarios among those studied in equilibrium with CLASS. These simulations have shown discrepancies with previously simulated scenarios. The major causes of these differences were identified and quantified.

La demande mondiale des composites à fibres de carbone est en forte croissance. Les résidus qui en découlent augmentent également. Le procédé de solvolyse a été étudié pour recycler les fibres de carbone et valoriser la résine décomposée dans la phase liquide. L’étude se focalise sur l’impact du procédé batch (température et temps de réaction) sur la disparition de la résine dans l’eau sous- et supercritique. Le procédé batch n’est pas limité par la pénétration de l’eau dans un lit de composite, mais par contre, la haute teneur en composés organiques semble initier un phénomène de repolymérisation. Aux conditions optimales (350°C, 30 min et 400°C, 15 min) les fibres sont dépourvues de résine PA6, et les propriétés mécaniques sont proches des fibres vierges. Les analyses de diffraction des rayons X montrent une modification des distances inter-réticulaires des empilements de graphène, et la spectroscopie Raman met en évidence des modifications de la structure turbostratique des fibres. Ainsi le procédé de solvolyse a conduit à des changements nanostructuraux. Les valeurs de résistance à la traction sont assez proches de celles des fibres vierges. Ainsi, les fibres peuvent être réutilisées dans la reformulation de nouveaux composites. Enfin, l’étude cinétique basée sur les valeurs d’énergie d’activation en eau sous-critique (77,79 kJ/mol) et en eau supercritique (78,51 kJ/mol) montre qu’il s’agit du même schéma mécanistique régissant la réaction de dépolymérisation de la résine. La composition de la phase liquide montre la récupération de 70 % de monomère caprolactame et de la formation de produits plus lourds dans les temps de réaction relativement long (>45min). Ceci a été expliqué par un phénomène de repolymérisation. L’utilisation du CeO2 a permis d’une part de limiter des réactions indésirables et d’autres part d’améliorer la conversion de la résine PA6 en son monomère dans les temps de réaction courts. / The global demand of carbon fibers reinforced composites increases greatly, resulting in an increase of its residues. The solvolysis process has been studied in the framework of the recycling of carbon fibers and the recovery of the resin decomposed in the liquid phase. First, the study focuses on the impact of the batch process (temperature and reaction time) on the resin removal under subcritical and supercritical water. Although the batch process is not limited by the water diffusion into the composite bed, a large amount of organics results in a repolymerization phenomenon. The optimal conditions (350 °C, 30 min and 400 °C, 15 min) led to achieve the PA6 resin removal and the mechanical properties of recovered carbon fibers are similar to the virgin ones. The X-ray diffraction patterns show a modification of the inter-reticular distances of the graphene stacks, and Raman spectroscopy analysis reveal a modification in the turbostratic structure. Therefore nanostructural changes have occurred due to solvolysis process. Tensile strength values are quite similar to those of the virgin fibers, thus the fibers can be reused in the reformulation of new composites. Finally, the kinetic study based on the values of activation energy in subcritical water (77.79 kJ / mol) and in supercritical water (78.51 kJ / mol) shows that the same mechanistic scheme is governing the resin depolymerization reaction. The composition of the liquid phase shows the recovery of 70 % the monomer (caprolactam) and the production of heavier products in long reaction times (>45min). This has been explained by a repolymerization phenomenon. The use of CeO2 was efficient to limit undesirable reactions and to improve the conversion of the PA6 resin into its monomer in short reaction times.

L'autophagie est importante pour le recyclage et la mobilisation des éléments nutritifs dans les plantes. Plusieurs lignées sur-exprimant les gènes AtATG8a-i d’Arabidopsis ont été sélectionnées afin de déterminer l'effet de l'augmentation de l'activité autophagique sur l'efficacité de la remobilisation de l'azote. Les lignées sur-expresseur ont présenté une meilleure remobilisation de l'azote des feuilles de la rosette jusqu'aux graines qque le contrôle, mais uniquement dans des conditions de culture en nitrate pléthorique. Les lignées sur-exprimant ATG8a et ATG8g ont été les plus performantes. Une vaste collection de mutants atg, comprenant les mutants atg8a-i, a ensuite été utilisée pour mesurer la remobilisation de l’azote des rosettes, aux tiges et aux semences, afin de déterminer quels gènes ATG sont essentiels pour la remobilisation. Une attention particulière a été accordée à la famille de gènes ATG8a-i afin de déterminer si un membre de la famille ATG8 pourrait être plus spécifiquement dédié au recyclage de l'azote lors de la sénescence des feuilles pour la remobilisation. Bien que les divers mutants atg8 n’aient pas présenté de différence majeure par rapport au sauvage, l'un d'entre eux a montré un léger phénotype de sénescence précoce, suggérant que cette isoforme pourrait être plus spécialisée dans la remobilisation de l'azote. Afin d'améliorer l'activité de l'autophagie chez l'orge, nous avons surexprimé HvATG5 chez l'orge et testé la sensibilité des sur-expresseurs à plusieurs conditions de stress. Nous avons constaté que les sur-expresseurs de HvATG5 étaient plus tolérants à une faible alimentation en nitrate, à une faible teneur en soufre, et surtout moins sensibles aux effets de l'obscurité prolongée. Afin d'estimer les rôles respectifs des protéases induites par la sénescence et de l'autophagie, plusieurs mutants de protéase (sag12, rd21A, cathB3) ont été croisés avec des mutants d'autophagie (atg5, atg7. Leur contribution à la remobilisation de l'azote a été mesurée par marquage 15N. / Autophagy is important for nutrient recycling and mobilization in plants. Several Arabidopsis AtATG8a-i overexpressing lines were selected in order to determine the effect of increasing autophagy on nitrogen remobilization efficiency. The overexpressing lines remobilized more nitrogen from the rosette leaves to the seeds but only when cultivated under high nitrate conditions. The lines overexpressing ATG8a and ATG8g were the most performant. A large collection of atg mutants including the atg8a-i mutants was then used to monitor N-remobilization from the rosettes to the stems and seeds in order to determine which ATG genes are essential for N remobilization. A special focus was dedicated to the ATG8a-i gene family in order to determine whether a member of the ATG8 family could be more specifically dedicated to N-recycling during leaf senescence for remobilization. Although the various atg8 mutants were not different from wild-type, one of them presented slight early senescence phenotype, suggesting this isoform could be more specialized in N remobilization. In order to enhance autophagy activity in barley, we overexpressed HvATG5 in barley and tested sensitivity of over-expressors to several stress conditions. We found that barley HvATG5 over-expressors were more tolerant to low nitrate supply, to low sulfur, and especially less sensitive to dark-stress effects. In order to estimate the respective roles of autophagy and senescence induced proteases, several protease mutants (sag12, rd21A, cathB3) were crossed with autophagy mutants (atg5, atg7) in order to monitor their respective contributions to nitrogen remobilization.

Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP. / The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.

Cette thèse de doctorat a pour objectif le développement d'un catalyseur hétérogène très actif et sélectif pour la conversion d'huiles végétales usées en monomères pour le développement de bioplastiques via la réaction d’auto-métathèse. Le méthyltrioxorhénium supporté sur l’alumine mésoporeuse modifiée avec ZnCl2 s’est avéré un catalyseur actif pour l'auto-métathèse de l'oléate de méthyle, une molécule modèle pour les triglycérides des huiles. Les produits obtenus à partir de la métathèse de l'oléate de méthyle comprennent, un diester, le 1,18-octadecenedioate et un alcène, 9-octadécène, qui peut être utilisé comme monomère pour la synthèse des polymères lorsqu'il est associé à d'autres molécules. Les conditions de réaction telles que la température, le temps de réaction et le promoteur utilisé ont été optimisées pour obtenir un rendement élevé en produits de la métathèse de l'oléate de méthyle. Le catalyseur 3% MTO/ZnCl2-Al2O3-meso avec un rapport Al/Zn de 8 à la température de réaction de 45°C pendant 60 min a été trouvé actif pour la métathèse de l'oléate de méthyle. Il a été également observé que les autres halogénures métalliques et des chlorures n'ont pas favorisé la réaction comme le ZnCl2. L'amélioration de l'activité du catalyseur par l’addition de ZnCl2 à Al2O3-méso a été expliquée en raison de la nature acide de Lewis améliorée par le ZnCl2. Les études cinétiques ont montré que le catalyseur a été très actif permettant une conversion supérieure à 80% en 30 min de réaction entre 25°C et 60°C. L'activité catalytique à la température ambiante était aussi encourageante pour l'auto métathèse de l'oléate de méthyle. Les conditions opératoires optimisées pour la métathèse de l'oléate de méthyle ont par la suite été étendues à l'application de triglycérides, en l’occurrence la trioléïne qui est abondante dans l’huile de tournesol et autres huiles végétales. Le catalyseur a été trouvé actif avec la formation de l'alcène 9-octadécène ainsi que des dimères et des trimères de la trioléine. Le catalyseur à base de MTO a été actif pour la formation des produits de métathèse désirés et le produit non désiré de métathèse comme le polymère réticulé formé par la réaction à catalyse homogène a été évité.Les résultats prometteurs pour la métathèse des trioléïnes prouvent que le catalyseur 3% MTO/ZnCl2-Al2O3-meso peut être utilisé pour la métathèse des huiles végétales comme l'huile de tournesol riche en acide oléique qui contient la trioléïne comme sa principale composante. / This doctoral thesis aims at the development of highly active and selective heterogeneous catalyst for conversion of used vegetable oils into monomers for bioplastic development using self-metathesis reaction. The catalyst based on methyltrioxorhenium supported on mesoporous alumina modified with ZnCl2 was found to be an active catalyst for self-metathesis of methyl oleate, a model molecule for triglycerides of oils with high turnover number. The products obtained from the metathesis of methyl oleate include the diester, 1,18-Octadecenedioate and an alkene, 9-Octadecene which can be used as monomer for polymer synthesis when reacted with other molecules. The reaction conditions such as temperature, reaction time, the promoter used were optimized to obtain high yield of products from the metathesis of methyl oleate. The catalyst 3% MTO/ZnCl2-Al2O3-meso with Al/Zn ratio of 8 at reaction temperature of 45°C for 60 min was found to be active for metathesis of methyl oleate. It was also found that the other halides and metal chlorides did not promote the reaction similar to ZnCl2. The enhancement of activity by addition of ZnCl2 to Al2O3-meso was found to be due to the Lewis acidic nature enhanced by addition of ZnCl2. The kinetic studies showed that the catalyst was highly active resulting in conversion> 80% within 30 min of reaction between 25°C to 60°C. The catalytic activity at room temperature was also promising proving it to be a very efficient catalyst for self metathesis of methyl oleate. The conditions optimized for methyl oleate metathesis was extended for the application of triolein, the abundant triglyceride present in the high oleic sunflower oil and other vegetable oils. The catalyst was found to be active with formation of the alkene 9-Octadecene and the dimers and trimers of triolein as desired metathesis products. The MTO based catalyst was active in forming the desired metathesis product and the undesired product namely the cross-linked polymer formed with the homogeneously catalyzed reaction was avoided. The promising results for the metathesis of triolein prove that the catalyst 3% MTO/ZnCl2-Al2O3-meso can be used for the metathesis of vegetable oils such as high-oleic sunflower oil which contains triolein as its major component.

Les résidus solides récupérés au traitement des eaux usées des usines de pâtes et papiers sont appelés boues. La boue primaire (BP) représente une source de fibres pour l'industrie des panneaux de fibres de moyenne densité (MDF) et la boue secondaire (BS) a des propriétés adhésives. L'objectif général de l'étude est d'évaluer la faisabilité de produire des panneaux MDF à partir de BP et de BS issues de différents procédés papetiers, de résine urée-formaldéhyde (UF) et de fibres de bouleau blanc de qualité pâte. Les résidus furent échantillonnés puis caractérisés en termes de composition chimique, de pH, de capacité tampon et de longueur des fibres. Des panneaux de fibres furent fabriqués selon trois dispositifs expérimentaux où les facteurs sont : la proportion de boue, le type de boue (BP, BS), le procédé papetier (PTM, PCTM, kraft) et la teneur en résine UF (0%, 8%, 12%). La BS est riche en protéines et contient plus de lignine et moins de cellulose que la BP. La BP est donc une source de fibres et la BS est une source potentielle d'agent liant. Les boues PTM et PCTM contiennent plus de cellulose et moins de cendre (impuretés) que la boue issue du procédé kraft. Toutefois, les fibres dans les boues kraft sont plus longues. Dans la majorité des cas, le procédé papetier et le type de boue (BP, BS) eurent un effet significatif sur les propriétés des panneaux. Dans les panneaux de boue sans résine, la cohésion interne augmente et le gonflement en épaisseur diminue lorsque la teneur en BS augmente. Ce résultat fut attribué aux propriétés adhésives de la BS. Dans les panneaux MDF (boue, fibres et résine), l'augmentation de la proportion de boue a un effet négatif sur presque toutes les propriétés des panneaux. Toutefois, l'ajout de boues permit de réduire les émissions de HCHO jusqu'à 68% en comparaison avec le panneau témoin, sans effet négatif sur la CI. Les boues ont un pH et une capacité tampon plus élevés que les fibres de bois, ce qui a probablement nuit à la performance (reticulation) de l'adhésif UF.

Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP. / The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.

Ce projet porte sur la production et la caractérisation de composites hybrides basés sur un polymère thermoplastique (polyéthylène linéaire de basse densité, LLDPE) avec des fibres de polyester de pneus recyclés (RTF) mélangées avec le caoutchouc des pneus usés (GTR) avec et sans styrène-éthylène-butylène-styrène greffé d’anhydride maléique (SEBS-g-MA) comme compatibilisant. L'étude vise à améliorer les propriétés du LLDPE avec le RTF, GTR et SEBS-g-MA. La première étape de l'étude est composée de deux parties principales. La première partie porte sur la caractérisation des RTF par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectroscopie des photoélectrons X (XPS), analyse thermogravimétrique (TGA), calorimétrie différentielle à balayage (DSC), microscopie électronique (SEM) et densité; tandis que la deuxième partie rapporte la morphologie des composites fabriqués à partir de différentes conditions. En particulier, l'effet de la concentration de RTF (10, 25 et 50% en poids) avec et sans 10% poids de SEBS-g-MA à différentes vitesses de vis (110, 180 et 250 rpm) en-dessous (LT) et au-dessus (HT) de la température de fusion du RTF (253°C) est étudié par extrusion double-vis suivie du moulage par injection. Les résultats montrent une meilleure distribution des particules GTR (intégrées au RTF) dans la matrice (LLDPE) avec l'augmentation du contenu en RTF dans les mélanges compatibilisés. En outre, l’augmentation de la vitesse des vis entraîne une réduction de la longueur des RTF et de la taille des GTR. Cependant, un profil HT mène à la dégradation de la matrice et du GTR. Dans la deuxième étape du travail, une série complète de caractérisation physique (densité et dureté) et mécanique (tension, flexion et impact) des échantillons produits dans la première partie est présentée. Malgré la diminution des modules et des contraintes maximales, la résistance au choc Charpy augmente de 50% avec 50% de FTR compatibilisées et une amélioration supplémentaire de 56% à haute vitesse de rotation des vis (250 rpm). Cependant, le profil HT diminue toutes les propriétés physico-mécaniques des mélanges. Finalement, les propriétés rhéologiques des échantillons produits lors de la première partie ont été rhéologiquement caractérisés à l’état fondu (cisaillement oscillatoire de faible amplitude, SAOS) et solide (analyse mécanique dynamique, DMA) afin de déterminer les relations entre la mise en œuvre, la morphologie et les propriétés macroscopiques. Les résultats montrent une augmentation de l'élasticité des mélanges avec l’augmentation du contenu en RTF en présence de SEBS-g-MA surtout à des vitesses de vis élevées. Néanmoins, le profil HT présente une diminution de l'élasticité à l’état fondu, tandis que la DMA montre une augmentation de l’élasticité pour le profil LT. / This project focuses on the production and characterization of hybrid composites based on a thermoplastic polymer (linear low-density polyethylene, LLDPE) and polyester recycled tire fibers (RTF) mixed with ground tire rubber (GTR) with and without styrene-ethylenebutylene-styrene grafted maleic anhydride (SEBS-g-MA) as a compatibilizer. The study aims at improving the properties of LLDPE using RTF, GTR and SEBS-g-MA. The first step is composed of two main parts. The first part is the characterization of RTF via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), and density; while the second part is to report on the morphology from different processing parameters. In particular, the effect of RTF concentration (10, 25 and 50 wt.%) with and without 10 wt.% SEBS-g-MA at different screw speeds (110, 180 and 250 rpm) processed below (LT) and above (HT) the RTF melting temperature (253°C) are investigated for samples produced via twin-screw extrusion followed by injection molding. The results show better GTR particles distribution (imbedded in RTF) in the matrix (LLDPE) with increasing RTF content in the compatibilized compounds. Also, increasing the screw speed leads to a reduction of RTF length and GTR sizes. However, HT profiles produced degradation of the matrix and GTR particles. In the second step, a complete series of physical (density and hardness) and mechanical (tension, flexion and impact) characterization was performed on the samples produced in the first step. Despite lower moduli and strength, Charpy impact strength increases by 50% for compatibilized 50% RTF compounds with an additional 56% improvement at higher screw speed (250 rpm). However, HT profiles decrease all physico-mechanical properties of the samples. Finally, the rheological properties of the samples produced in the first step are investigated in both the melt (small amplitude oscillatory shear, SAOS) and solid (dynamic mechanical analysis, DMA) states to understand the relations between processing, morphology and macroscopic properties. The results show increased elasticity with increasing RTF content with SEBS-g-MA, especially at higher extrusion screw speeds. HT profiles lead to lower elasticity in the melt state, while DMA results show higher elasticity for LT profiles.