Les pertes de matériaux par rebond représentent encore à ce jour le problème le plus important qui limite parfois l’utilisation du béton projeté. Bien que la compréhension des techniques de projection utilisées par les lanciers soit en constante progression et que de nombreux nouveaux mélanges soient développés régulièrement, l’état actuel des connaissances concernant les mécanismes de mise en place qui apparaissent au sein du jet de béton projeté est limité. Cette affirmation s’applique particulièrement entre les moments où les matériaux sont expulsés de la lance jusqu’à leur impact sur le substrat de béton frais. À l’heure actuelle, un modèle physique permet de calculer et de prédire le rebond d’une seule particule incidente en fonction de son énergie et de sa profondeur de pénétration à la paroi réceptrice. Par contre, les paramètres nécessaires à une telle prédiction ne sont pas facilement mesurables expérimentalement. De plus, ce modèle n’est évidemment pas représentatif de plusieurs facteurs réels qui agissent à l’échelle d’un jet de béton projeté et qui devraient être considérés, comme l’interaction entre les particules et leur angle d’incidence par rapport à la paroi réceptrice. D’un autre côté, des avancées importantes ont été réalisées récemment à l’échelle du jet complet, notamment au niveau de l’explication des phénomènes qui permettent l’accélération des particules, de la caractérisation des champs de vitesses, de la répartition des masses dans le jet et finalement, au niveau de la composition du matériau en fonction de la position dans le jet. Une meilleure compréhension de l’effet de l’équipement utilisé doit être explorée avec l’étude des facteurs favorisant la mise en place du matériau et la réduction du rebond. Cela pourrait être fait en améliorant les conditions d’impact des particules qui entrent en contact avec le substrat, en sélectionnant le meilleur équipement disponible. Ce projet de recherche aspire à poursuivre l’étude des phénomènes de mise en place du béton projeté en proposant une étude du procédé à l’échelle du jet qui se concentre sur l’effet de l’équipement utilisé lors de la projection. En premier lieu, il s’agit de déterminer les paramètres qui influencent le champ de vitesse produit par une lance en béton projeté par voie humide. La lance représente le dernier obstacle franchi par le matériau avant d’être expulsé vers la paroi réceptrice, donc cette pièce d’équipement joue un rôle important sur les conditions de mise en place. Il sera ensuite question de comparer les deux principaux procédés qui sont utilisés en béton projeté, la voie humide et la voie sèche, en poursuivant l’exploration de la distribution massique des particules dans le jet en voie sèche et en utilisant des données obtenues dans des études récentes pour le procédé par voie humide. Pour atteindre les objectifs du projet, ce sont cinq (5) lances différentes pour le procédé par voie humide et trois (3) lances pour le procédé par voie sèche qui font partie de l’étude. Le programme expérimental consiste à comparer les performances des lances étudiées selon des critères établis, basés sur la forme et l’amplitude du champ de vitesse. Les résultats montrent que plusieurs facteurs influencent la performance d’une lance; ils permettent d’établir un classement jugeant la performance des lances en utilisant des critères physiques comme la vitesse incidente des particules ainsi que leur distribution spatiale. La vitesse des particules incidente joue un rôle primordial sur leur énergie à l’impact sur le substrat de la paroi réceptrice. La distribution massique dans une section du jet produit par une lance contrôle le débit de mise en place du matériau en fonction du rayon perpendiculaire à l’axe de projection et représente une avenue intéressante à explorer pour améliorer ou adapter la technique de projection selon la lance utilisée. / Material losses due to rebound represent the main issue of shotcrete and sometimes limit the process’ use and applicability. Even if the understanding of shooting techniques used in practical applications is being researched and in constant progress, and new shotcrete mixes are being developed regularly, the actual field of knowledge related to material placement mechanisms taking place during the impact of sprayed particles is limited, starting from the moment materials are expelled from the nozzle until particles impact on the fresh shotcrete substrate. For the time being, a physical model allows calculation of rebounding probability for a single incident particle based on its kinetic energy and its depth of penetration onto the receiving surface. However, parameters that are necessary to obtain such a prediction are not easily measured. In addition, this model is obviously not representative of the reality at the scale of a full shotcrete spray and does not take into account the interaction between particles and their angle of incidence with the receiving surface. On the other hand, significant progress was made recently with regards to describing the shotcrete process at the scale of the spray. Analysis methods were developed and explanations of phenomena allowing particles acceleration were refined and include characterization of velocity fields, distribution of material masses among the spray and, at last, material composition according to position in the spray. A better understanding of the equipment used during practical applications is clearly a path to be explored with the study of factors controlling placement of materials and reduction of rebound. This could be achieved by improving particles impact conditions with the substrate, which could be done by optimizing equipment selection and shooting parameters. This research project aims to deepen the study of shotcrete placement phenomena by researching equipment influence at the scale of the spray during a projection. The main objectives of this project are defined as follows. The first objective is to determine parameters influencing axial velocity fields that are obtained with various wet-mix nozzles. This piece of equipment plays an important role on placement conditions of sprayed particles. The next step will be to compare both shotcrete placement processes, wet-mix and dry-mix, by exploring materials mass distribution with three different dry-mix nozzles and comparing with wet-mix data previously obtained. To achieve the above objectives, five (5) different wet-mix nozzles and three (3) dry-mix nozzles are included in the present research project. The experimental program will allow a comparison of nozzle performances based on distribution and amplitude of axial velocity fields, since velocity is the main factor influencing kinetic energy of a single particle. Results show that several factors may influence a nozzle’s performance and justify the selection of particular nozzle parameters over others. The incident mass distribution at any section of the spray produced by a given nozzle controls the materials placement rate in regards to the shooting axis perpendicular distance and represents an interesting path to explore to better adapt shooting technique according to the nozzle that is used.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Les plus récents estimés indiquent que seulement 32% des plastiques post-consommation (emballages, sacs et contenants) sont récupérés par la collecte sélective des matières recyclables au Québec, et une quantité probablement encore moindre est réellement recyclée. Pourtant, le recyclage a été identifié comme une des stratégies clés permettant la mise en place d’une véritable économie circulaire des plastiques. Présentement, un manque de données précises et transférables entre les acteurs de la chaîne de valeurs rend plus difficile l’application de mesures efficaces pour augmenter la qualité des plastiques voués au recyclage thermomécanique. De plus, il existe peu de solutions de recyclage pour les flux de plastiques fortement hétérogènes, alors que la diversité des emballages disponibles sur le marché est sans cesse croissante. Ce travail de recherche avait pour objectif d’étudier la qualité des plastiques mélangés en provenance du centre de tri de Gaudreau Environnement Inc., et de développer une technologie de recyclage applicable aux flux hétérogènes de plastiques. Une caractérisation combinant des équipements industriels et des analyses de laboratoire a permis de dégager un taux de qualité correspondant à la concentration réelle d’un polymère visé dans un échantillon trié par séparateur optique. De plus, la caractérisation des contaminants a démontré que les plastiques faits de polystyrène et de polyvinyle chloré sont sujets à de grandes variations de qualité. Une méthode de recyclage de ces plastiques est proposée ici, soit l’utilisation d’agrégats de plastiques recyclés comme substituts au sable pour des mélanges expérimentaux de béton. Le plastique a généré des bétons ayant une plus grande ténacité élastique et une résistance thermique plus élevée que le béton conventionnel. Cette technique de recyclage a semblé convenir aux flux hétérogènes de plastiques, notamment lorsque plusieurs types de polymères sont présents, car les critères de qualité diffèrent de ceux employés pour évaluer les plastiques voués au recyclage thermomécanique conventionnel. / According to recent estimates, only 32% of all postconsumer plastics are collected by curbside collection programs in the province of Quebec (CANADA), and an even smaller amount may be actually recycled into new products. Recycling has nonetheless been identified as one of the key strategies needed to enable a transition to a fully circular economy for plastics. At this time, a lack of precise data, transferable between all stakeholders of the plastics value chain, prevents the implementation of efficient measures to upgrade the quality of plastics channelled towards thermomechanical recycling. Also, very few recycling techniques are designed for heterogeneous plastic streams, while an increasingly varied array of plastic packaging is found on the consumer market. This research aimed to study the quality of a mixed plastics stream produced by Gaudreau Environnement Inc.’s material recovery facility, and develop a recycling technique able to process an heterogeneous plastic stream. A combination of industrial machineries and laboratory analyses was used to characterize the quality of the mixed plastics, and a quality index was generated to estimate the concentration of a targeted polymer in a sorted plastic stream. A characterization of contaminants showed that polystyrene and polyvinyl chloride streams experienced more variation in terms of quality for recycling. A potential valorization route was investigated, where recycled plastic aggregates were substituted to sand in experimental concrete blends. Plastic aggregates helped confer greater elastic toughness and a higher thermal resistance to concrete. Plastic aggregates with a high bulk density, such as those derived from PVC, generated concretes with the best mechanical performances. This recycling technique seems promising for heterogeneous plastic streams, particularly when several polymers are present, since its quality parameters differ from conventional thermomechanical recycling.

L’objectif de la thèse est de développer un modèle de prédiction de l’uni des chaussées flexibles. La réalisation de cet objectif a impliqué quatre principales étapes. Premièrement, une revue de connaissance relative à la thématique a été faite. Il ressort de cette étude que l’Indice de Rugosité Internationale (IRI) est l’indice qui représente le mieux le phénomène d’uni. Cependant, la prédiction de celui-ci est encore essentiellement faite par des modèles empiriques. Deuxièmement, les deux principales dégradations des chaussées qui peuvent être les sources de problème d’uni pendant leur durée de vie utile sont notamment la déformation permanente différentielle (ornière) et le soulèvement différentiel. Ils ont été analysés et la nécessité de leur prédiction a été établie. Les modèles de prédiction recherchés doivent intégrer dans leur structure mathématique les paramètres géotechniques de sol qui sont les sources de la variabilité le long d’un tracé. Pour le soulèvement au gel, le modèle de Konrad (1981 et 2005) a été jugé approprié pour être intégré dans le modèle de prédiction de l’uni. Cependant, pour la déformation permanente, un nouveau modèle a été développé pour les besoins du projet. Troisièmement, un modèle mathématique de prédiction de l’uni des chaussées flexibles en termes d’IRI a été dérivé. Il a été bâti sur les hypothèses rigoureuses et comporte les paramètres complexes suivants : la déformation permanente ( ε p ), le soulèvement au gel (S), la fissuration transversale ( Ft ) et le coefficient représentant l’effet d’amplification ou d’atténuation des longueurs d’onde (K). Quatrièmement, le modèle dérivé a été étalonné et validé avec de données obtenues sur des chaussées réelles. Pour l’étalonnage, les données des bases de données du LTTP et du MTQ, d’une part, et, d’autre part, les données de la cueillette des paramètres géotechniques issus des essais de caractérisations des échantillons prélevés à chaque 5 m le long de 5 différents sites au Québec, ont été utilisées. Les coefficients d’étalonnage requis ont été déterminés avec succès. Pour la validation du modèle, par manque de paramètres géotechniques à chaque 5 m le long des sections identifiées pour réaliser cet objectif, le principe de niveau d’utilisation du modèle d’uni a été développé. Trois niveaux d’utilisation du modèle ont été développés et le modèle a été validé au troisième niveau d’utilisation avec un niveau de succès acceptable. / The objective of the thesis is to develop a model of prediction of the flexible pavements roughness. This goal was achieved through a rigorous process that involved four steps. First, a review of knowledge was made. It appears from this study that the International Roughness Index (IRI) is the index that better represents the roughness phenomenon, but the prediction is still empirical. Second, the two main pavement degradations that could cause roughness problems during the useful life are the permanent deformation and frost heave. After analysis of the existing models the need of the prediction model was established. The desired prediction models should have in their mathematical structure the geotechnical parameters of soil, which are the origin of variability along a road. For frost heave, the Konrad model (1981 and 2005) was found to be appropriate. However, for permanent deformation there was no adequate model. Thus, a permanent deformation model was developed. Third, a mathematical model for the prediction of pavements roughness in terms of IRI was derived. It has been built on rigorous assumptions and includes the following parameters: permanent deformation ( ε p ), frost heave (S), transverse crack ( Ft ) and coefficient representing the effect of amplification or attenuation of wavelengths (K). Fourth, the derived model was calibrated and validated with data obtained on actual pavements. For calibration, data from the LTTP and MTQ databases and the geotechnical parameters resulting from the characterization tests of the samples, taken at every 5 m along 5 different sites in Quebec Province were used. The required calibration coefficients have been determined successfully. For the validation of the model, due to lack of geotechnical parameters at every 5 m along the identified sections to achieve this objective, the principle of the model use level has been developed. Three levels of the model use were developed and the model was validated at the third level with an acceptable level of success.

Ce travail examine les propriétés mécaniques du béton léger (LWAC) fabriqué avec des granulats commercialement connus par Stalite et renforcé avec des fibres. Les paramètres étudiés comprenaient la résistance à la compression (25 et 40 MPa), le type de fibres (acier, synthétique, basalte-minibars ou BMB et hybrides) et la fraction volumique des fibres (0,5 et 1%). Les essais effectués comprenaient des essais de compression, de déformation axiale, de traction sous pression, de module d'élasticité, de flexion, de retrait et de perte de masse. De plus, des tests de pénétration des ions chlorure et de résistivité de surface ont été effectués pour examiner la durabilité du béton. Les résultats des essais ont montré que le coefficient d'efficacité du LWAC, défini comme le rapport entre la résistance à la compression et la densité, était supérieur de 16% à celui du béton de poids normal (NWC). De plus, le module d'élasticité de LWAC a chuté de 8,5 à 15,2% par rapport à celui de NWC alors que son coefficient de Poisson variait entre 0,2 et 0,24. L'ajout de fibres a amélioré les propriétés mécaniques du LWAC. L'absorption d'énergie de LWAC a augmenté de 129% en augmentant la fraction volumique des fibres BMB de 0,5 à 1%. De plus, le module de rupture du LWAC était plus élevé que celui prévu avec les formulations ACI 318 (2014). Les résultats des tests de durabilité ont montré que la pénétration des ions chlorure de LWAC était « très faible » selon la classification ASTM C1202 (2012). De plus, l'utilisation d'agrégats légers a augmenté la résistivité de surface du béton jusqu'à 150%. Cependant, l'ajout de fibres d'acier a augmenté la pénétration des ions chlorure et diminué la résistivité de surface du mélange, tandis que l'ajout de fibres BMB n'a montré aucune influence sur les deux paramètres. / This study investigates the mechanical properties and durability of lightweight aggregate concrete (LWAC) made with expanded slate coarse aggregates (commerciallyknown as Stalite aggregates) and reinforced with different types of fibers. The parameters investigated included the compressive strength (25 and 40 MPa), the type of fibers (steel, synthetic, and basalt-minibars or BMB, and hybrid fibers), and the volume fraction of the fibers used (0.5 and 1%). The experimental tests conducted to characterize the obtained LWAC included compression tests, axial deformation tests, pressure tension tests, modulus of elasticity tests, flexure tests, shrinkage tests, and mass-loss tests. Furthermore, both chloride-ion penetration and surface resistivity tests were carried out to examine the durability of LWAC mixes. Test results showed that the efficiency ratio of LWAC, defined as the ratio of compressive strength to density, was 16% higher than that of normal weight concrete (NWC). Moreover, the modulus of elasticity of LWAC dropped by 8.5 to 15.2% compared to that of NWC whereas its Poisson’s ratio ranged between 0.2 and 0.24. The addition of fibers significantly enhanced the mechanical properties of the LWAC. For instance, the energy absorption of LWAC increased by 129% by increasing the volume fraction of BMB fibers from 0.5 to 1%. Furthermore, the modulus of rupture of LWAC was higher than that predicted using ACI 318 (2014) formulations. In terms of durability, test results showed that the chloride penetration of LWAC was “very low” according to ASTM C1202 (2012) classification. Moreover, using lightweight aggregates increased the surface resistivity of concrete up to 150%. However, the addition of steel fibers increased the chloride penetration and decreased the surface resistivity of the mix while the addition of BMB fibers showed no influence on both parameters.

La pâte à brasquer joue un rôle fondamental dans la durée de vie d’une cuve d’électrolyse et son efficacité énergétique. D’une part, elle empêche l’infiltration de l’aluminium liquide dans la cuve et, d’autre part, elle fait office de joint entre les blocs cathodiques ce qui les protège de la fissuration et de l’endommagement. Le vieillissement de ce matériau granulaire, en raison de l’évaporation des agents adoucissants assurant sa malléabilité à température ambiante, est susceptible d’influencer ses propriétés physiques, mécaniques et électriques. D’un autre côté, lors de la mise en forme de la pâte à brasquer, le liant présent dans sa composition libère des produits cancérigènes tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques, ce qui constitue un réel danger pour la santé. Afin de pallier cette problématique, plusieurs pâtes écologiques ont été développées. Toutefois, les propriétés physiques de ces nouvelles pâtes et leurs effets sur l’efficacité du procédé ne sont pas encore bien connus. Ce travail a pour objectif l’étude de l’effet du phénomène de vieillissement sur les propriétés physiques, mécaniques et électriques de la pâte à brasquer. Dans cette perspective, une pâte standard et une autre écologique ont été considérées. La caractérisation de l’effet du vieillissement est axée sur la mesure de grandeurs telles que la densité apparente, la perte de masse, le changement volumétrique, le module de Young, le coefficient de Poisson, la résistance à la compression et à la traction ainsi que la résistivité électrique. Les résultats de cette étude révèlent que le vieillissement de la pâte à brasquer affecte principalement la perte de masse après cuisson, le coefficient de Poisson ainsi que les propriétés mécaniques de la pâte crue. / The ramming paste plays a fundamental role in the life of an electrolysis cell and its energy efficiency. On the one hand, it prevents the infiltration of liquid aluminum into the cell and, on the other hand, it seals the cathode blocks which protects them from damage and ultimately from failure. The aging of the coal tar pitch based ramming paste, due to the evaporation of the softeners ensuring its malleability at room temperature, is likely to influence its physical, mechanical and electrical properties. Also, during the compaction of the coal tar pitch based ramming paste, the binder present in its composition releases carcinogenic products such as polycyclic aromatic hydrocarbons, which constitutes a real danger for health. To overcome this problem, several eco-friendly ramming pastes have been developed in recent years. However, the physical properties of these new pastes and their effects on the process efficiency are not yet well known. This work aims to study the aging effect on the physical, mechanical and electrical properties of the ramming paste. In this perspective, a standard coal tar pitch based ramming paste and an eco-friendly one were investigated. The characterization of the aging effect is focused on the measurement of quantities such as apparent density, mass loss, volumetric change, Young’s modulus, Poisson’s ratio, compressive and tensile strength as well as electrical resistivity. The results of this study reveal that the aging of the ramming pastes mainly affects the mass loss, the Poisson’s ratio and the mechanical properties of the green paste.

Ce mémoire porte sur les impacts des stratégies d’économies d’eau potable sur la chloration secondaire de réseaux de distribution d’eau potable (RDEP) à l’échelle municipale. Il présente également une méthodologie pour l’élaboration d’un modèle de prédiction des concentrations de chlore résiduel libre (CCRL) en réseau selon les différentes cinétiques de dégradation. Ce type de modèle permet aux gestionnaires de réseaux de réduire davantage les zones vulnérables en cas de contamination microbiologique de l’eau par un meilleur contrôle sur les CCRL. Une campagne d'échantillonnage sur le terrain a tout d’abord été mené pour mesurer les CCRL d’un RDEP. Les résultats de cette campagne ont permis le calage d’un modèle hydraulique et le calage de modèles cinétiques de dégradation du chlore résiduel libre. Ces modèles ont été jumelés afin d’obtenir un modèle prédictif des CCRL dans lequel la dégradation du chlore a été simulée avec des constantes cinétiques prédéterminées. Le modèle obtenu est utilisé pour simuler les CCRL de différents scénarios de répartition des débits. Ces scénarios correspondent à l’évolution des consommations d’eau de 2011 à 2016. Cette méthodologie a été testée sur trois RDEP du Québec (Canada) avec des populations desservies de 6 900 à 18 700 habitants. Pour ces études de cas, l’augmentation des temps de séjour, reliée à la réduction des débits, a produit une réduction des CCRL en réseau. Pour remédier à la situation, une augmentation de la CCRL à l’entrée des RDEP de 7% à 13% a été requise afin d’obtenir des CCRL similaires en 2016 par rapport à 2011. Cette augmentation pourrait aller jusqu’à 18% avec l’atteinte d’un scénario de gestion optimale de la consommation en eau. Les résultats ont validé la méthodologie développée en lien avec les objectifs visés démontrant ainsi les impacts de la réduction des débits sur la variabilité spatio-temporelle de la CCRL de RDEP à l’échelle municipale. / The main objective of this study is to investigate the impacts of drinking water conservation strategies on residual chlorine in a water distribution system (WDS) at the municipal scale. This study was designed to develop a methodology to predict free residual chlorine (FRC) according to its decay rates in WDS through microbiological and chemical reactions in the bulk phase and at the pipe wall. This prediction can be useful for operators, managers and engineers to reduce microbiological risks in vulnerable areas of a WDS. To achieve this objective, a sampling campaign was conducted to evaluate FRCs. A hydraulic model was then calibrated by adjusting the chlorine wall reaction coefficients to give the best fit between predicted and observed field measurements. A predictive model of FRC in which chlorine decay was simulated with a first-order chlorine residual decay for both bulk and pipe wall reactions. The model enables the simulation of FRCs for different flow distribution scenarios. These scenarios represent the evolution of water consumption from 2011 to 2016. This methodology was tested on three main WDSs in Québec (Canada) with populations ranging from 6 900 to 18 700 people. For these case studies, a decrease of FRC was observed related to the increase in the mean residence time due to the flow reduction. Results show that an increase in initial FRC ranging from 7% to 13% is required to obtain similar FRCs in 2016 compared to 2011. The results also highlight the impacts of flow reduction on FRC’s spatial and temporal variability through a WDS

À l’heure actuelle, les écoulements à deux fluides non miscibles jouent un rôle très important dans plusieurs domaines, que ça soit en science ou en ingénierie. Leur complexité est tellement élevée que les modèles actuels ne permettent de résoudre que des cas particuliers ou simplifiés avec un degré de précision qui demeurent souvent plutôt modeste. Une nouvelle approche numérique parait être une nécessité pour capturer la complexité physique du phénomène. Pour ce faire nous avons besoin d’outils robustes. Au niveau de l’interface de séparation entre les deux fluides non miscibles, les variables physiques sont discontinues, ce qui pose un défi majeur dans la description des variables et des conditions aux limites à l’interface. Le fait que les densités et les viscosités de chaque fluide soient différentes de part et d’autre de l’interface donne naissance à des défauts et des impuretés dans le champ des vitesses, ce qu’on appelle une discontinuité faible. Pour sa part, l’existence de la force de tension superficielle au niveau de l’interface crée une discontinuité sur le champ de pression, ce qu’on appelle une discontinuité forte. Un autre grand problème se pose au niveau de l’étude numérique du problème, où les méthodes numériques classiques ont une précision assez limitée dans ce genre de situation. L’objectif de ce travail est de fournir une étude complète de la dynamique de l’interface entre deux fluides non miscibles à l’aide d’outils mathématiques, physiques et numériques robustes. D’abord, une étude analytique du problème a été faite où l’équation de Navier-Stokes et les conditions de saut sur les variables physiques au niveau de l’interface de séparation entre les fluides ont été prouvées en détail. Pour traiter les discontinuités, nous avons discrétisé nos variables à l’aide de la méthode XFEM. Dû aux larges distorsions rencontrées dans ce genre d’écoulement, nous avons utilisé l’approche Eulérienne, pour corriger les oscillations des solutions dues aux choix du système de coordonnées nous avons utilisé les techniques de stabilisation SUPG/PSPG. Le traitement de la courbure des interfaces K été fait à l’aide de l’opérateur Laplace Beltrami et le suivi d’interface à l’aide de la méthode ¨Level-set¨. Pour le traitement des conditions de saut au niveau de l’interface la méthode Nitsche est développée dans différents contextes. Après avoir développé un modèle physique et mathématique dans les premières parties de notre travail, nous avons fait une étude numérique à l’aide de la plateforme de calcul FEniCS, qui est une plateforme de développement en langage C++ avec une interface Python. Un code de calcul a été développé dans le cas des écoulements de deux fluides non miscibles avec les modèles physiques et les outils mathématiques développés dans les sections précédentes. / The two-phase flow problems have an important role in the multitude of domains in science and engineering. Their complexity is so high that the actual models can solve only particular or simplified cases with a certain degree of precision. A new approach is a necessity to understand the evolution of new ideas and the physical complexity in this kind of flow, to contribute to the study of this field. A good study requires solid and robust tools to have performing results and a maximum of efficacy. At the interface of separation between the two immiscible fluids, the physical parameters are discontinuous, which gives us difficulties for the description of the physical variables at the interface and boundary conditions. The fact that the density and the viscosity are discontinuous at the interface creates kinks in the velocity, which represent a weak discontinuity. The existence of the surface tension at the interface create a discontinuity for the pressure field, it represents a strong discontinuity. The main objective of this work is to make a complete study based on strong and robust physical, mathematical and numerical tools. A strong combination, capable of capturing the physical aspect of the interface between the two fluids with a very good precision. Building such a robust, cost effective and accurate numerical model is challenging and requires lots of efforts and a multidisciplinary knowledge in mathematics, physics and computer science. First, an analytical study was made where the one fluid model of the Navier-Stokes equation was proved from Newton’s laws and jump conditions at the interface was proved and detailed analytically. To treat the problem of discontinuity, we used the XFEM method to discretize our discontinuous variables. Due to the large distortion encountered in this kind of fluid mechanic problems, we are going to use the Eulerian approach, and to correct the oscillation of solutions we will use the SUPG/PSPG stabilization technic. The treatment of the interface curvature k was done with the Laplace Beltrami operator and the interface tracking with the Level-set method. To treat the jump conditions with a very sharp precision we used the Nitsche’s method, developed in different cases. After building a strong mathematical and physical model in the first parts of our work, we did a numerical study using the FEniCS computational platform, which is a platform of computational development based on C++ with a Python interface. A numerical code was developed in this study, in the case of two-phase flow problem, based on the previous mathematical and physical models detailed in previous sections.

Les charpentes de bois sont une alternative très intéressante pour la construction de bâtiments multiétages. Grâce à sa faible empreinte écologique, ses excellentes propriétés mécaniques et l’esthétisme de son produit fini, le bois est un matériau incontournable. En y ajoutant une mince dalle de béton collaborant, on permet de réduire considérablement l’épaisseur et le poids des planchers tout en respectant les critères de conception. Pour ce faire, le transfert des charges de la dalle de béton à la poutre de bois doit passer par les connecteurs. Différents types de connecteurs permettent ce transfert. Néanmoins, il est difficile de garantir un comportement rigide en service et une rupture ductile de la poutre. La ductilité du connecteur est un indicatif de l’aptitude de la structure à dissiper de l’énergie. Dans ce mémoire, le comportement d’un nouveau connecteur composite coulé en place sera décortiqué. Ce connecteur en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) et contenant un coeur en acier permet de garantir la rigidité et la ductilité. L’objectif de cette recherche est de vérifier et de valider le comportement du connecteur composite en variant les différents paramètres géométriques, soit le diamètre et la longueur. De plus, afin de confirmer la performance du nouveau connecteur, un essai de flexion sera réalisé sur des poutres de plancher type en comparaison avec un autre type de connecteur. Ces essais en laboratoire seront également validés à l’aide de méthode de calcul simple et plus complexe permettant de vérifier le comportement structural en service et à l’ultime. Finalement, ce mémoire explore le comportement d’une mince dalle de BFUP connectée à une poutre de bois lamellé-collé (BLC) d’une portée de 9 m. Les poutres composites bois-béton ont été conçues avec une approche multicritère simplifiée. Les résultats confirment le potentiel prometteur, en termes de poids et d’épaisseur globale, de l’utilisation du BFUP dans les futurs projets de bâtiment multi-étages / Timber framing is a very attractive alternative for the construction of multistory buildings. Thanks to its low ecological footprint, its excellent mechanical properties and the aesthetics of finished product. By adding a thin concerted concrete slab, the thickness and weight of the floors can be considerably reduced while respecting the design criteria. In order to succeed, the load must be transferred from the concrete slab to the timber beam by the shear connectors. Different types of connectors allow this transfer. Nevertheless, it is difficult to guarantee good stiffness in serviceability and ductile behaviour before the collapse of the structure. Ductility is an indicator of the ability of the structure to dissipate energy. In this master thesis, the behaviour of a new cast-in-place composite connector will be discussed. This ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) with a steel core ensures stiffness and ductility. The aim of this research is to verify and validate the behaviour of the composite connector by varying the different geometric parameters, namely the diameter and the length. Furthermore, in order to confirm the performance of the new connector, a bending test will be carried out on typical floor beams in comparison with another shear connector. These laboratory tests will also be validated using a simple and complex calculation method to verify the structural behaviour in both Serviceability Limit States (SLS) and Ultimate Limit States (ULS). Finally, this thesis explores the behaviour of a thin slab of UHPFRC connected to a glued laminated timber (GLT) with a long span of 9 m. The TCC beams were designed with a simplified multi-criteria approach. The results confirm the promising potentials, in terms of weight and overall thickness, of using UHPFRC thin slab for future TCC multistory buildings.

Les matériaux granulaires contenant des particules grossières sont largement utilisés dans les grands travaux de géotechniques, comme les remblais et les barrages. L'étude du comportement mécanique de ces matériaux nécessite des appareils d'essai à grande échelle, ce qui entraîne des programmes de test coûteux et difficiles à réaliser. Par conséquent, dans la plupart des projets en cours, des échantillons contenant des matériaux à grains fins avec granulométries parallèles et des caractéristiques physiques similaires aux matériaux d'origine sont préparés et les résultats obtenus sont directement utilisés lors de l’analyse et la conception des structures. Cependant, des études récentes ont confirmé que l'effet de la taille des particules provoqué par l'utilisation de cette technique devrait être considéré. Pour améliorer la compréhension de cet effet, dans la première partie de cette étude, l'influence de la taille des particules sur les propriétés mécaniques des matériaux du filtre du barrage Romaine-3 est étudiée à l'aide d'une série d'essais triaxiaux de compression monotone dans des conditions drainées et non drainées ainsi que des essais triaxiaux à chargement répété (RLT). Les résultats des tests drainés et non drainés ont montré qu'il n'y a pas de changement dans la pente des CSL dans l'espace p’-q. Les résultats du test RLT indiquent également que le module chargement-déchargement augmente avec l'augmentation de la taille des particules. De plus, la forme des particules a été identifiée comme l'un des paramètres les plus importants affectant le comportement des matériaux grossiers. Ainsi, la deuxième partie de ce mémoire consiste en des essais triaxiaux drainés et non drainés et des essais RLT sur des matériaux du filtre et de transition, caractérise respectivement avec des particules arrondies et angulaires de différentes tailles, afin d'examiner l'effet de la forme des particules. Les résultats triaxiaux montrent que le rapport de contrainte maximale augmente avec l'augmentation de l'angularité, alors que la comparaison des résultats RLT entre les matériaux arrondis et angulaires ne montre aucune tendance claire / 345092\u Granular materials containing coarse particles are widely used in the large geotechnical works, such as embankments and dams. The investigation of the mechanical behavior of these materials requires large scale testing apparatus, resulting in costly and difficult testing programs. Therefore, in most of the current projects, the specimens with finer-grained materials having parallel grading and similar physical characteristics to original materials are prepared and the results directly used in the analysis and design of the structures. However, recent studies confirmed that the role of the particle size effect caused by using this technique should be considered. To improve understanding of this effect, in the first part of this study, the influence of particle size on the mechanical properties of filter materials of Romaine-3 dam is investigated through a series of the monotonic compression triaxial tests in the drained and undrained conditions as well as repeated-load triaxial (RLT) tests. The drained and undrained tests results showed that there is no change in the slope of CSLs in q-p’ space. The RLT test results also indicate that the load-unload modulus increases with increasing in particle size. Moreover, the shape of a particle has been identified as one of the most important parameters affecting the behavior of coarse materials. Thus, the second part consists of drained and undrained triaxial and RLT tests on filter and transition materials, having rounded and angular materials respectively, with different sizes in order to examine particle shape effect. The triaxial results show that the maximum stress ratio increases with increasing in the angularity, whereas the comparison of RLT results between the rounded and angular materials does not show any clear trend.

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.