Le béton projeté est un procédé versatile de mise-en-place particulièrement adapté aux besoins de l’industrie moderne de la construction. Quand le béton projeté est spécifié pour des travaux de construction ou de réparation, le matériau doit souvent rencontrer les exigences en termes de résistance en compression, d’absorption après ébullition ou de pénétrabilité aux ions chlorures. Quoique relativement rapides et peu coûteux, ces essais ne permettent pas d’évaluer la durée de vie du matériau, ni de tenir compte des conditions d’exposition environnementales. Cette situation est problématique pour les fournisseurs et utilisateurs de béton projeté qui œuvrent à améliorer la qualité des mélanges. Il existe peu d’information traitant de l’influence du mélange initial et des paramètres de projection sur la durabilité du béton projeté. Ce projet de recherche vise à continuer l’étude des propriétés de transport du béton projeté afin de modéliser la réponse du matériau aux espèces ioniques en milieu agressif. / Shotcrete is a versatile placement process particularly well adapted to the needs of the modern construction industry. When shotcrete is specified for construction or repair work, the material must oftentimes meet a required compressive strength, boiled water absorption or chloride ion penetrability. Although relatively swift and cost-efficient, these tests do not provide an exact assessment of the potential service life provided by the mixture and do not consider the environmental exposure conditions affecting the concrete. This brings sizeable challenges to shotcrete mixture designers attempting to improve the quality of their mixtures. There is currently little information on the influence of the initial mixture design and the shooting parameters on shotcrete durability. This research project aims to continue the study of the transport properties of shotcrete to model the ingress of ionic species into the material in an aggressive environment.

La nécessité du traitement d'eaux de ruissellement routier chargées en sel de voirie (sodium, calcium, chlorure) et d'eaux issues d'une agriculture intensive (phosphore) a permis l'étude (Saint-Augustin, Canada) et l'évaluation de la transposition (Massif-Central, France) d'une unité filtrante basée sur des principes physicochimiques d'adsorption. Un suivi qualitatif et hydraulique des eaux de surface ainsi qu'une étude des matériaux constituant l'unité (calcite, dolomie, pouzzolane, anthracite) ont été accomplis. Des mesures de débit par déversoir, essais de traçage, échantillonnage d'eau ont été réalisés sur terrain. Des essais d'adsorption, cinétiques, isothermes et colonnes ont été faits en laboratoire. L'étude terrain a montré que l'unité filtrante est assimilable à un réacteur piston pour des débits supérieurs à 400 mL/s, et permet un abattement maximum respectif de 67%, 71% et 70% pour le chlorure, calcium et phosphore total. L'étude en laboratoire a révélé une adsorption de 20% du sodium (calcite) et 15,4% du chlorure (dolomie). / The treatment necessity of run off water concentrated in road salts (sodium, calcium, chloride) and intensive agriculture stemming waters (phosphor) allowed the study (Saint-Augustin, Canada) and the evaluation of the transposition (Massif-Central, France) of a filtering unit based on adsorption physicochemical properties. A qualitative and hydraulic follow-up of surfaces waters as well as a study of the unit constituting materials (calcite, dolomite, pozzolan, anthracite) were carried out. Flow measures by overflow, tracers tests, water sampling were realized on the field. Adsorption, kinetics, isotherms and columns tests have been made in laboratory. The field study showed that the filtering unit is comparable to a plug flow reactor for flows over 400 mL/s, and allows a respective maximum allowance of 67%, 71% and 70% for the chloride, calcium and total phosphor. The study in laboratory revealed an adsorption of 20% for the sodium (calcite) and 15,4% for the chloride (dolomite).

Dans les années 50–70, il était considéré qu’une épaisseur suffisante de béton était nécessaire pour résister au cisaillement dans le cas des structures de type dalle épaisse. Cependant, l’intégration récente, dans les équations de calcul de résistance, de certains mécanismes remet en cause la capacité en cisaillement de ce type d’ouvrage, particulièrement pour les dalles épaisses atteintes de Réaction Alcalis-Silice (RAS). C’est pourquoi, une étude est réalisée de manière à déterminer la capacité portante en cisaillement de dalles épaisses sans renforcement en cisaillement atteintes de RAS. Pour cela, une série de quatre dalles réactives (3) et une non réactive (1) de 610 x 750 x 4500 mm a été fabriquée, conditionnée de manière à activer la réaction, puis testée structuralement jusqu’à la rupture à des niveaux d’expansion présélectionnés. De plus, les propriétés du matériau ont été déterminées. Les dalles réactives présentent une plus grande résistance que la non réactive, résultant des fissures et de la précontrainte chimique induites par la RAS. / During the 1950’s-1970’s, it was considered that concrete provided adequate strength to ensure the proper performance of concrete slabs under shear stresses. However, the recent introduction, in performance calculations, of certain mechanisms, has raised new concerns about the structural capacity of this type of structures, especially aging concrete slabs affected by Alkali-Silica Reaction (ASR). That is why a study is being carried out to determine the residual shear capacity of thick concrete slabs without shear reinforcement with the progress of ASR. In order to do so, one set of four reactive (3) and non-reactive (1) concrete specimens, 610 x 750 x 4500 mm in size, was fabricated, subjected to conditions conducive to the development of ASR, then tested up to failure at selected expansion levels due to ASR. Also, the materials properties were determined. The reactive slabs actually showed higher strength that the non-reactive one, resulting from cracks and a chemical prestressing process due to ASR.

Comme elles sont inaccessibles par voie terrestre, les quatorze communautés nordiques du Nunavik (Québec) dépendent toutes du transport aérien afin d’assurer en tout temps un lien rapide et efficace avec le reste du Canada. Certaines pistes d’atterrissage, construites sur pergélisol vers la fin des années 1980, ont montré des signes de détérioration quelques années seulement après leur mise en service. En raison des changements climatiques, la dégradation du pergélisol au Nunavik devient préoccupante pour l’intégrité des infrastructures aéroportuaires appartenant au ministère des Transports du Québec. Le présent projet consiste à déterminer l’épaisseur sensible de sols gelés et certaines caractéristiques physiques et mécaniques du pergélisol du Nunavik, jusqu’alors peu documentées, afin d’évaluer les tassements reliés au fluage à long terme ainsi qu’à la consolidation au dégel. Pour ce faire, une campagne de forage a été réalisée dans le but de récupérer des échantillons gelés et de caractériser le pergélisol aux emplacements problématiques. Ces sondages ont été effectués sur sept pistes d’atterrissage et deux routes d’accès. Les échantillons intacts récupérés ont été ramenés au laboratoire de l’Université Laval pour être soumis à des essais de fluage en cellule triaxiale et à des essais de consolidation au dégel en cellule oedométrique. Les résultats de ces essais ont permis d’obtenir une estimation du taux de déformation en fluage à long terme ainsi que des tassements au dégel pour différents types de sols. À la lumière de ces résultats, l’ampleur des tassements sous les pistes d’atterrissage et les routes d’accès peut être anticipée en s’appuyant sur des scénarios de réchauffement climatique et sur les profils de température relevés en continu sur le terrain. Le ministère des Transports du Québec, en collaboration avec l’Université Laval, pourra ainsi développer une stratégie réaliste d’adaptation des infrastructures de transport du Nunavik affectées par les changements climatiques.

La compressibilité à court terne et à long terme d’assemblages de particules de roche granitique a été étudiée lors d’essais de compression uniaxiale à l’intérieur d’une nouvelle cellule oedométrique de grand diamètre. Il a été démontré que la compressibilité à court terme est plus importante pour des assemblages de particules d’étalement granulométrique plus étalé, de faible masse volumique et pour des assemblages préalablement saturés ou humidifiés. De plus, la taille des particules de l’assemblage testé ne semble pas influencer de façon significative la compressibilité à court terme. Il a également été démontré que le ratio entre l’indice de fluage et l’indice de compressibilité, Cε, t/Cε, σ, est de 0,02 ± 0,01 pour les échantillons secs et de 0,03 ± 0,01 pour les échantillons humides. L’analyse des distributions granulométriques des échantillons testés a confirmé la relation entre le broyage et la compressibilité. / Short term and long term compressibility of assemblages of rock particles was studied through one-dimensional compression tests in a large oedometer cell. It was found that short term compressibility tends to be more important for samples with a wide grain size distribution curve, a low density and when the sample was wetted prior to the oedometer test. Additional tests on samples of different rock size reveals that the grain size effect on compressibility is negligible for the samples tested. Furthermore, the compressibility was successfully related to the breakage factor, Bg, highlighting the importance of breakage in such tests. As for long term compressibility, it appears that the ratio between the time-dependent index and the compressibility index, Cε, t/Cε, σ, tends to be a constant of about 0.02 for dry samples and 0.035 for saturated samples.

Les dispositifs de retenue sur les ouvrages d’art fournissent une protection essentielle aux usagers de la route. Ils atténuent les conséquences d’une perte de contrôle d’un véhicule en empêchant sa sortie de la voie carrossable ou son intrusion dans une voie inverse. Actuellement, les standards nord-américains de conception d’ouvrages d’art requièrent que la résistance et le comportement sécuritaire des dispositifs soient prouvés par un essai de collision à grandeur réelle. Un dispositif de retenue préalablement testé et accepté peut être modifié si le responsable peut démontrer sa performance par des analyses et des simulations appropriées. La méthode des éléments finis est un outil efficace pour prédire la réponse d’un dispositif de retenue sous les charges induites par l’impact d’un véhicule. Le présent projet de recherche vise à développer des détails d’assemblages génériques (montés directement sur le tablier et sur un chasse-roue) permettant d’assembler un dispositif de retenue de type poteaux-poutres en acier déjà testé et approuvé aux tabliers orthotropes en acier les plus récemment développés. Ce projet implique des analyses statiques et des simulations dynamiques en utilisant ABAQUS et LS-DYNA, respectivement. La capacité de l’assemblage à transférer la charge d’impact sans compromettre l’intégrité structurale du tablier de pont et du dispositif lui-même est examinée en détail. Des détails d’assemblage ont été développés avec un système de plaques de renfort et un module d’assemblage pour assembler les dispositifs de retenue directement sur le tablier orthotrope et sur un chasse-roue en acier, respectivement. Des similitudes entre les résultats des différentes analyses montrent que les charges statiques spécifiées par la norme CSA S6-06 sont appropriées pour la modification des ancrages de dispositifs de retenue pour les assembler à des tabliers orthotropes en acier. Mots clés : Dispositif de retenue, tablier orthotrope en acier, pont routier, assemblage, analyse par éléments finis. / Traffic barriers in bridge construction are specially designed devices that are carefully selected and connected to the bridge deck to redirect errant vehicles safely into the flow of traffic and prevent them from proceeding down a non-driveable batter. Current North American bridge design standards require that the selected traffic barrier system must be crash-tested at full-scale to ensure a safe design standard. Minimal modifications of already crash-tested and approved traffic barrier system are however allowed if its performance can be demonstrated by an appropriate engineering simulation and analysis. The finite element analysis method is an effective tool to predict the response of traffic barriers under vehicle-induced forces. The present research aims at developing generic connector systems (deck and curb-mounted) that allows the attachment of a standard already-crash-tested post-and-rail barrier to orthotropic steel decks. This research involves both static analysis and dynamic simulation of crash-test using ABAQUS and LS-DYNA. The ability of the attachment system to transfer the impact loads without compromising the structural integrity of the bridge deck or the barrier itself would be examined in detail. Typical assembly were developed with strengthening plates to connect the traffic barriers directly on the orthotropic steel deck and with a module to connect it on a steel curb. Similarities existing between the results of the different analyses show that the static loads specified in Canadian standard CSA S6-06 are appropriate for the modification of the anchorage of traffic barriers to connect them to orthotropic steel decks. Keywords : Traffic barrier, orthotropic steel deck, bridge, connector system, finite element analysis.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont porté sur l’essai de migration. Cet essai est utilisé en génie civil pour évaluer les coefficients de diffusion ioniques dans les matériaux cimentaires. Dans le but de contribuer à l’utilisation de l’essai de migration, un protocole a été élaboré afin d’améliorer la compréhension de certains éléments propres aux aspects expérimentaux de l’essai et l’analyse des résultats. Ainsi, à travers cette étude, différents paramètres expérimentaux sont examinés afin de définir une méthodologie expérimentale fiable. Du côté de la méthode d’analyse des résultats expérimentaux, une attention particulière a été apportée à la manifestation de réactions chimiques durant l’essai. Cet aspect est généralement négligé dans les analyses conventionnelles. L’analyse de la pénétration d’ions utilise le logiciel STADIUM® afin d’obtenir les coefficients de diffusion et la tortuosité propre au matériau étudié. Mots clés : Coefficient de diffusion, migration, ions, profil, courant, matériaux cimentaires. / The research presented in this dissertation pertains to the migration test, which is used in civil engineering to evaluate ionic diffusion coefficients of cementious materials. With the objective of contributing to the utilisation of the test, a protocol was elaborated in order to improve the comprehension of certain elements pertaining to the experimental aspects of the test, and data analysis. Through this study, various experimental parameters are examined, in order to define a sound experimental methodology. As for the data analysis portion, particular attention was paid to the presence of chemical reactions during the test. This is an aspect which is often neglected in conventional analyses. Ion penetration analysis is carried out using the modeling software STADIUM® in order to obtain the diffusion, and tortuosity coefficients of the material being studied. Keywords : Diffusion coefficient, analysis, migration, ions, profil, current, cement materials.

"Thèse en cotutelle pour le doctorat en génie des eaux Université Laval Québec et Ghent University à Ghent, Belgique" / La prise de conscience croissante de l’épuisement des ressources naturelles, la demande croissante de nutriments et d’énergie pour la production alimentaire et les normes de plus en plus strictes de décharge des nutriments et de fertilisation, ont donné lieu à une attention accrue pour la récupération des nutriments à partir des déchets municipaux et agricoles. Cette thèse de doctorat vise à stimuler la transition vers une bio-économie en fournissant des (moyens à développer des) stratégies durables pour la récupération des nutriments à partir des déchets organiques après la production de bio-énergie par la digestion anaérobie. Une attention particulière est accordée à la valorisation des produits récupérés comme substituts renouvelables aux engrais chimiques et/ou comme engrais organo-minéraux durables dans l'agriculture. Trois phases de recherche complémentaires ont été exécutées: 1) l'inventaire des technologies et la classification des produits, 2) l'évaluation de la valeur des produits, 3) la modélisation et l’optimisation des procédés. Dans la première phase, une revue systématique des technologies et une classification des produits ont été réalisées. Dans la seconde phase, la caractérisation des produits et des analyses de bilan de masse dans des stations de récupération des ressources de l’eau et des déchets (StaRRED) à grande échelle ont été exécutées. Une évaluation économique et écologique de différents scénarios de bio-fertilisation a été menée et les scénarios les plus durables ont été sélectionnés pour une évaluation agronomique réalisée ultérieurement sur le terrain et à l'échelle de la serre. Dans la troisième phase, une librairie générique de modèles pour la récupération des nutriments a été élaborée visant à modéliser la quantité et la qualité d'engrais. Une meilleure compréhension de la performance et des interactions des processus unitaires a été obtenue par des analyses de sensibilité globale. Les modèles ont été utilisés avec succès comme un outil pour la configuration et l'optimisation des chaînes de traitement. Sur la base de toutes les connaissances acquises, une feuille de route générique pour la mise en place des stratégies de récupération des nutriments en fonction des marchés et des législations des engrais, et de la caractérisation des déchets a été développée. En tant que telle, la présente thèse développe les concepts de fermeture maximale des cycles des nutriments dans une approche du berceau-au-berceau. Le travail apporte des preuves importantes de l'impact positif des produits récupérés sur l'économie, l'agronomie et l'écologie de la production végétale intensive. En outre, cette thèse offre des informations et des outils fondamentaux pour faciliter la mise en œuvre et l'optimisation des stratégies durables de récupération des nutriments. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour une croissance économique durable axée sur les ressources biologiques et créent ainsi une situation gagnant-gagnant pour l'environnement, la société et l'économie en Belgique, au Canada, et au-delà. / The increasing awareness of natural resource depletion, the increasing demand of nutrients and energy for food production, and the more and more stringent nutrient discharge and fertilization levels, have resulted in an increased attention for nutrient recovery from municipal and agricultural wastes. This PhD dissertation aims at stimulating the transition to a bio-based economy by providing (tools to develop) sustainable strategies for nutrient recovery from organic wastes following bio-energy production through anaerobic digestion (= bio-digestion waste). Particular attention is paid to the valorization of the recovered products as renewable substitutes for chemical fertilizers and/or as sustainable organo-mineral fertilizers in agriculture. Three complementary research phases were conducted: 1) technology inventory and product classification, 2) product value evaluation, 3) process modelling and optimization. In the first phase, a systematic technology review and product classification was performed. In phase 2, product characterizations and mass balance analyses at full-scale waste(water) resource recovery facilities (WRRFs) were executed. An economic and ecological evaluation of different bio-based fertilization scenarios was conducted and the most sustainable scenarios were selected for subsequent agronomic evaluation at field and greenhouse scale. In phase 3, a generic nutrient recovery model library was developed aiming at fertilizer quantity and quality as model outputs. Increased insights in unit process performance and interactions were obtained through global sensitivity analyses. The models were successfully used as a tool for treatment train configuration and optimization. Based on all acquired knowledge, a generic roadmap for setting up nutrient recovery strategies as function of fertilizer markets, legislations, and waste characterization was established. As such, the present dissertation further develops the concepts of maximally closing nutrient cycles in a cradle-to-cradle approach. The work reveals important evidence of the positive impact of recovered products on the economy, agronomy, and ecology of intensive plant production. Moreover, it provides the fundamental information and tools to facilitate the implementation and optimization of sustainable nutrient recovery strategies. All of this may open up new opportunities for sustainable and more bio-based economic growth and thus create a win-win situation for the environment, the society, and the economy in Belgium, Canada, and beyond.

L'industrie des abattoirs fait face à des restrictions législatives concernant la disposition de leurs résidus. Étant donné que le marché des farines animales est à la baisse, les coûts de transport et de traitement, imposés par les équarrisseurs aux abattoirs, varient de façon imprévisible. Pour certains abattoirs, les coûts de disposition ont été tels, qu'ils sont intéressés à gérer leurs propres déchets. Quoique peu utilisée pour le traitement des résidus d'abattoir, la digestion anaérobie s'avère une alternative intéressante pour cette industrie. Ces déchets offrent un potentiel énergétique élevé grâce à leur teneur importante de lipides. Néanmoins, les lipides et les protéines sont potentiellement inhibiteurs des microorganismes anaérobies. L'objectif principal de cette thèse a été de mettre au point un procédé CSTR de digestion anaérobie des résidus d'abattoir afin d'optimiser le rendement énergétique. Cette étude à permis de mieux caractériser le substrat pour enrichir l'information disponible dans la littérature, de déceler des indicateurs d'inhibition, de trouver des critères de dimensionnement et de vérifier l'applicabilité du model ADM1 à la digestion des résidus d'abattoir. Cinq expériences ont été réalisées avec des réacteurs CSTR. Trois temps de rétention hydraulique, TRH, et quatre concentrations différentes du substrat d'alimentation, S0, ont été testés. Des résidus d'abattoir de veaux de lait (78% de viscères et 22% de sang) ont été utilisés comme substrat d'alimentation. Les résultats démontrent que des TRH longs et des charges inférieures à 0,5 kgLipides/m3·j permettent d'obtenir une performance d'épuration maximale. Pour déceler des effets d'inhibition, l'acide palmitique peut être utilisé comme l'indicateur le plus important. Le TRH semble influencer la robustesse et la performance d'épuration face à l'inhibition. L'applica-bilité de l'ADM1 pour ce type de résidus a été vérifiée. L'ADM1 a été adapté pour inclure des nouvelles fonctions d'inhibition (compétitive et non compétitive). Les modifications réa-lisées à ce modèle ont permis d'obtenir des prédictions satisfaisantes. Les résidus d'abattoir se sont avérés un substrat idéal pour la bio-méthanisation. Cepen-dant, ces procédés exigent des conditions d'opération strictes. Des procèdes anaérobies favorisant la rétention de la biomasse et une meilleure adaptation de l'ADM1 sont des études qui favoriseront le développement de cette filière.

Les stations de mesure automatiques sont utilisées pour suivre et contrôler des usines de traitement des eaux usées. Ce suivi en continu à haute fréquence est devenu indispensable afin de réduire les impacts négatifs sur l’environnement car les caractéristiques de l’eau varient rapidement dans l’espace et dans le temps. Toutefois, même s’il y a eu des progrès considérables, ces dernières années, de la technologie de mesure, les instruments sont encore chers. Aussi des problèmes de colmatage, d’encrassement ou de mauvaise calibration sont assez fréquents à cause du contact avec les eaux usées. La fiabilité des mesures en ligne et en continu est affectée négativement. Par conséquent, un bon entretien des instruments est essentiel, ainsi que la validation des données collectées, afin de détecter d’éventuelles valeurs aberrantes. Dans le contexte de ce mémoire, en collaboration avec Bionest®, une méthodologie est proposée pour attaquer ces problèmes. Deux cas d’études en étangs aérés au Québec ont été considérés, avec l’objectif d’optimiser les activités d’entretien, de réduire les données non fiables et d’obtenir des grandes séries de données représentatives. / Automated monitoring stations have been used to monitor and control wastewater treatment plants. Their capability to monitor at high frequency has become essential to reduce the negative impacts to the environment since the wastewater characteristics have an elevated spatial and time variability. Over the last few years, the technology used to build these automatic monitoring stations, for example the sensors, has been improved. However, the instrumentation is still expensive. Also, in wastewater uses, basic problems like fouling, bad calibration or clogging are frequently affecting the reliability of the continuous on-line measurements. Thus, a good maintenance of the instruments, as well as a validation of the collected data to detect faults is required. In the context of this thesis, in collaboration with Bionest®, a methodology has been developed to deal with these problems for two facultative/aerated lagoon case studies in Québec, with the objective of optimizing the maintenance activities, of reducing the fraction of unreliable data and of obtaining large representative data series.