L’apparition des fissures macroscopiques peut manifestement se déclencher à plusieurs étapes du processus de la vie d’une cathode dans une cuve d’électrolyse. Diverses causes peuvent engendrer un tel surgissement. Au préchauffage électrique, par exemple, la répartition spatiale irrégulière des gradients thermiques peut conduire à la naissance d’une ou plusieurs fissures. L’objectif principal de ce travail se résume à la modélisation et la simulation de la propagation de fissures dans un contexte multiphysique, thermo-électro-mécanique. L’approche se base sur une philosophie de développement numérique monolithique, du couplage fortement non linéaire avec la prise en compte des échanges thermoélectriques à travers les lèvres de fissures, par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). Ce projet a été dressé sous forme de trois sous-projets. En premier lieu, un nouveau modèle de la propagation de fissures en contexte thermomécanique dans un domaine fissuré a été développé. Une stratégie d’enrichissement géométrique par XFEM a été élaborée avec succès pour modéliser la propagation de fissures ainsi que pour atteindre le taux optimal de convergence espéré sur les réponses physiques et sur le calcul des facteurs d’intensité de contraintes. Trois benchmarks ont été examinés et validés à partir des résultats existants dans la littérature. Ensuite, un nouvel exemple de propagation de fissures et défauts multiples a été conçu. La comparaison des résultats obtenus montre la robustesse ainsi que la précision du développement numérique. En second lieu, une approche originale de la modélisation du couplage fort thermoélectrique, en présence d’une discontinuité matérielle forte statique et en tenant compte des échanges thermique et électrique à travers ses lèvres, a été développée. Tout d’abord, un modèle a été élaboré et validé dans le cas d’une fissure capacitive, où les propriétés du diélectrique, entre les lèvres de la fissure, jouent un rôle déterminant pour la quantification de son intensité d’échange. De même, un modèle a été confirmé pour le choix d’un milieu gazeux remplissant la région entre les deux lèvres, assurant l’aspect résistif d’échange thermique. Le modèle thermoélectrique a été mis en œuvre par XFEM, en implémentant la version améliorée, et en tenant compte du traitement des parasites numériques dus aux éléments de transition. Trois cas d’études ont été proposés, le premier a été appliqué pour valider la mise en œuvre numérique du modèle proposé via un patch test développé. Une bonne convergence et précision des résultats numériques ont été observées. Le second a porté sur le cas d’une fissure courbée, moins fréquente dans la littérature, qui peut être rencontré dans de nombreuses applications, et représente un défi numérique notable. Le troisième est une étude élaborée sur la cathode. L’analyse de l’impact de la présence des fissures sur l’efficacité énergétique a été soulevée aussi pour le cas de fissures multiples. En troisième lieu, une originalité numérique de la propagation de fissures en couplage thermo-électro-mécaniques (TEM) avec les échanges thermique et électrique entre les lèvres de la fissure a été exposée. La fissure n’est pas statique, cette fois-ci. L’aire générée par le déplacement des lèvres est prise en considération dans les expressions physiques des coefficients d’échanges thermique et électrique. Cela est transcrit par la quantification du saut de déplacement à travers les lèvres. Cet aspect rend le problème mécanique non linéaire, aussi, par le biais des échanges, et par conséquent le système global TEM est fortement non linéaire. Une approche originale du point de vue de la technicité d’intégration a été implémentée. Elle est fondée sur une technique de sous-triangulation barycentrique par une ’toile d’araignée’ pour les éléments de surface coupés par la fissure. Une autre technique basée sur l’intégration par ’bras’ de fissure réservée pour les éléments d’échanges thermique et électrique. Deux cas d’études essentiels ont été envisagés. Le premier est un exemple de propagation en mode mixte d’une fissure inclinée en TEM avec les échanges thermique et électrique en fonction du saut de déplacement. Le deuxième a été réservé pour un cas d’étude industrielle d’une cuve en opération, en contexte TEM. L’impact de la présence de la fissure sur les différentes réponses physiques est analysé. Comme constatation, en expansion thermoélectrique du bloc cathodique, la fissure a plus tendance à rejoindre la surface supérieure pour mettre, probablement, fin à la vie de la cathode. / The outbreak of visible cracks can be triggered at several stages in the life of a cathode block in an electrolysis cell. Various matters can prompt such an upsurge. Under electrical pre-heating, for example, the random spatial distribution of thermal gradients can lead to the rise of one or more cracks. The main objective of this work is to model and simulate the crack propagation in a multi-physical, thermo-electro-mechanical, context. The approach is based on a monolithic numerical development philosophy of a strongly nonlinear coupling, with the consideration of thermoelectric exchanges through the crack lips using the extended finite element method (XFEM). This project was sketched essentially on three sub-projects. Firstly, a new model of crack propagation in a thermomechanical fashion over a cracked domain has been developed. A geometrical enrichment strategy by XFEM has been successfully performed to model crack growth as well as to achieve the expected optimal convergence rate in physical responses and the computation of stress intensity factors. Three benchmarks were examined and validated from existing results in the literature. Then, anew example of the propagation of multiple cracks and multiple defects was designed. The comparison of the results obtained shows a good agreement with the reported works as well as the robustness and the accuracy of the numerical development. Secondly, an original approach to the modeling of full thermoelectric coupling, in the presence of a strong static material discontinuity and taking into account the thermal and electrical exchanges through its lips, has been elaborated. First, a model has been established and validated in the case of a capacitive crack, where the properties of the dielectric, between the inter-crack-lips, play a determining role for the ascertainment of its exchange intensity. Similarly, a model has been settled for the choice of a gaseous medium filling the gap between the two rims, ensuring the resistive heat exchange aspect. The thermoelectric model has been implemented via XFEM by performing the enhanced version and taking into account the treatment of numerical noise due to the blending elements. Three case studies were intended, the first one was employed to validate the numerical implementation of the stated model via a developed patch test. Good convergence and accuracy of numerical outcomes have been noted. The second focused on the case of a curved crack, less considered in the literature, which can be encountered in many applications, and represents a significant numerical challenge. The third is an elaborate study on the cathode. The analysis of the impact of cracks on energy efficiency was also raised for the case of multiple cracks. Thirdly, numerical originality of crack propagation in the context of the full thermo-electro-mechanical (TEM) coupling combined with thermal and electrical exchanges between the crack lips has been displayed. The area formed by the displacement of the two crack bank sis carried out in the physical expressions of the heat and electrical coefficients. The quantification of this gap is rendered by the resulting displacement jump across the lips. This aspect makes the mechanical problem nonlinear as well through exchanges, and therefore the global TEM system is strongly nonlinear. An original integration strategy, from a technical point of view, has been realized. It is based on a technique of barycentric sub-triangulation through a ’spider-web’ for the surface elements cut by the crack. Another procedure based on integration by crack ’arms’ reserved for heat and electrical exchanges elements. Two case studies have been examined. The first one is an example of the mixed-mode growth of a sloped crack in TEM context with thermal and electrical exchanges as a function of the displacement jump. The second was held for an industrial case of an electrolysis cell in operation and TEM circumstances. The impact of the presence of crack on several physical responses is analyzed. As an outcome, due to the thermoelectric expansion of the cathode block, the crack is expected to join the upper surface and lead to the end of the cathode’s life.

Ce mémoire est consacré à l’étude des méthodes de cure et leurs impacts sur le retrait et la fissuration du béton projeté. Plus globalement, cette recherche traite de la problématique de la fissuration des réparations en béton. Généralement, les réparations en béton projeté génèrent rapidement de grandes surfaces de béton frais. Si elles sont mal protégées, les sollicitations liées au séchage peuvent mener à l’échec de la réparation. Une méthode de cure adéquate permet de prévenir la fissuration et d’augmenter la durabilité de la réparation. Beaucoup reste à faire en ce qui concerne les techniques de cure et de protection afin de déterminer celles qui fonctionnent vraiment. Afin d’évaluer l’apport bénéfique de différentes méthodes de cure sur le béton projeté, une méthode de mesure du retrait a été développée. Cette étape permet de combler l’absence de norme ou de méthode permettant aujourd’hui de mesurer le retrait du béton projeté et de quantifier en même temps l’impact bénéfique des méthodes de cure. Avec cette méthode, les différents produits de cure externe suivants ont été évalués et classés du plus efficace au moins efficace : un agent de cure et de scellement liquide semblable à ceux à base de solvant, un agent de cure et de scellement liquide à base d’eau, un retardateur d’évaporation et enfin, le moins efficace, un agent de cure liquide à membrane à base de résine. Par la suite, des produits de cure interne ont été testés avec la méthode de mesure développée. Les produits testés sont une fibre synthétique et une fibre de chanvre. La fibre synthétique apporte un bénéfice dès la mise en place. La fibre de chanvre semble avoir apporté des améliorations notables plus importantes vis-à-vis du retrait du béton à long terme. Finalement, une technique de cure fréquemment utilisée en chantier (jute humide et polythène) a été évaluée. Les résultats des essais de type chantier sont peu concluants et ne permettent pas d’apprécier l’apport bénéfique des paramètres testés en raison des particularités de la méthode de mesure. En conclusion, ce projet a rempli sa mission quant à la détermination des bénéfices des méthodes de cure sur le béton projeté. Il ouvre également la voie à de nombreuses applications et possibilités futures jusqu’alors non envisageable pour le béton projeté grâce à la méthode de mesure développée. / This thesis is devoted to the study of curing methods and their impacts on the shrinkage and cracking of shotcrete. More generally, this research deals with the problem of cracking of concrete repairs. Generally, shotcrete repairs quickly generate large areas of fresh concrete. If poorly protected, drying stress can lead to the failure of the repair. Curing methods prevent cracking and increase the durability of concrete repair. Much remains to be done with regard to cure and protection techniques to determine what really works. In order to evaluate the beneficial contribution of curing methods on shotcrete, a shrinkage measurement method is developed. This step makes it possible to fill the gap in the standards or methods used today to measure the shrinkage of shotcrete and at the same time to quantify the beneficial impact of curing methods on shrinkage. This method allows to start measuring shrinkage only 4 hours after placement. With this method, the following different external curing products are evaluated and classified from the most effective to the least effective : a solvent based liquid curing and sealing agent, a water-based liquid curing and sealing agent, an evaporation retarder and finally, the least effective, a resin-based membrane liquid curing agent. The solvent-based liquid curing and sealing agent provided the best results. Then internal curing products are tested with the developed measurement method. The products tested are synthetic fibre and a hemp fibre. Synthetic fibre brings an benefits as soon as the concrete is placed. Hemp fibre seems to have made more significant improvements in concrete shrinkage in the long term. Finally, a curing technique frequently used on site is evaluated. The results of this test are inconclusive and do not allow to assess the beneficial contribution of the tested parameters due to the particularities of the measurement method. In conclusion, this project fulfilled its mission to determine the beneficial effects of curing methods on shotcrete. It opens the way for many future applications and possibilities that were not previously possible for thanks to the measurement method developed.

Avec l’évolution des normes de conception à l’effort tranchant, les sollicitations grandissantes sur les infrastructures et la dégradation des matériaux face aux conditions environnementales, quantité d’infrastructures sont appelées à être réhabilitées afin d’offrir une marge de sécurité suffisante. Le renforcement à l’effort tranchant des dalles épaisses avec barres ancrées à l’aide d’époxy, qui se veut une méthode prometteuse de réhabilitation des structures, a été étudié dans la dernière décennie. Dans la pratique, compte-tenu des efforts importants qui sollicitent parfois les dalles au moment de l’installation du renforcement, il est sensé de croire que l’efficacité de ce dernier puisse être diminuée par les déformations et la fissuration présentes dans la dalle. Afin d’investiguer l’effet de l’intensité de l’effort tranchant au moment d’un renforcement avec barres transversales ancrées sur la performance structurale d’une dalle post-renforcée, une étude expérimentale et numérique a été réalisée. Dans le volet expérimental, cinq (5) tranches de dalle épaisses ont été fabriquées. Les dalles ont été testées par flexion trois-points en induisant divers niveaux d’effort tranchant dans les dalles au moment de procéder au renforcement. Suite au renforcement, le chargement des dalles s’est poursuivi jusqu’à l’atteinte de leur capacité ultime à l’effort tranchant. Dans le volet numérique, un modèle numérique d’abord été développé au moyen du logiciel VecTorMD afin de représenter le comportement des dalles testées expérimentalement. L’effet de l’effort tranchant au moment du renforcement et de l’élancement sur la performance de dalles post-renforcées a été investigué à travers une étude paramétrique. Il en ressort qu’en présence de charges de service usuelles, le renforcement à l’effort tranchant d’une dalle épaisse avec barres ancrées offre un gain de résistance considérable, comparable à ce qui est obtenu lors du renforcement d’une dalle non-chargée. Toutefois, la contribution des barres transversales et du béton à la résistance ultime est modifiée, pour une dalle renforcée à des charges significativement élevées. / With improved design standards, increasing demands on infrastructure and material degradation in the face of environmental conditions, many infrastructures need to be improved to provide sufficient safety margin. The shear strengthening of thick concrete slabs with epoxy-anchored bars, which is a promising method for structural improvement, has been studied in the last decade. In practice, given the significant loads that slabs may bear at the time of strengthening, it is reasonable to believe that the effectiveness of the latter may be reduced by the deformation and cracking present in the slab. In order to investigate the effect of the shear load at the time of strengthening with anchored transverse bars on the structural performance of a post-strengthened slab, an experimental and numerical study has been carried out. For the experimental part, five (5) slices of thick slab were fabricated. The slabs were tested by a three-point bending test where shear load levels were induced in the slabs at the time of strengthening. Following strengthening, the slabs were loaded up to shear failure. For the numerical study, a finite element model was first developed using the VecTorTM software to represent the behavior of the experimentally tested slabs. The effect of shear load at the time of strengthening and slenderness on post-strengthened slab performance was investigated through a parametric study. The results show that in the presence of usual service loads, the shear strengthening of thick slabs with anchored bars offers a considerable resistance gain, similar to that executed on an unloaded slab. However, for slabs strengthened at sufficiently high loads, the contribution to the ultimate strength of transverse bars and concrete is rearranged.

Pour les structures en béton armé, la corrosion des armatures représente la plupart des pathologies observées. Aujourd'hui, pour réduire les coûts de maintenance, une détection avant l'apparition de la corrosion permettrait d'optimiser la gestion des infrastructures. Il est observé que les détériorations les plus rapides sur les structures en béton armé se développent en présence simultanée d'eau liquide et d'ions chlorure qui accélèrent l'apparition et le développement de la corrosion des armatures. Lorsque la concentration de chlorures dans le béton d'enrobage dépasse un certain seuil, la couche de passivation est détruite, et la corrosion des aciers d'armature s'initie. Ce phénomène est accentué dans les pays où les sels de déglaçage sont utilisés pour la sécurité routière, ainsi qu'en bordure de zones maritimes. Ce mémoire propose une nouvelle méthode de monitorage non destructive permettant d'observer l'évolution des concentrations en ions chlorure dans le béton d'enrobage. Ce monitorage permet de surveiller en continu, et en temps réel, la concentration en chlorures libres dans les pores de béton afin d'évaluer la phase d'initiation de la corrosion. Le monitorage consiste en un capteur chimique à fibres optiques qui a été développé et testé. Des études théoriques et expérimentales ont permis la calibration et validation du capteur dans des échantillons de mortier. Une lumière bleue transite à l'intérieur des fibres optiques, atteignant à leur extrémité une pastille sensible aux ions chlorure. Avec l'analyse par spectroscopie de fluorescence, souvent utilisée dans le domaine de la biochimie et de la médecine, les concentrations d'ions chlorure libres dans l'eau interstitielle du béton sont déterminées. Ce capteur de petite taille, est facile à placer à différentes profondeurs dans le béton d'enrobage permettant de suivre en continu la concentration des chlorures contenue dans l'eau interstitielle à l'intérieur des pores du béton. / For reinforced concrete structures, corrosion of reinforcements represents most of the pathologies observed. Today, to reduce maintenance costs, detection before the onset of corrosion would optimize infrastructure management. It is observed that the fastest deterioration on reinforced concrete structures develop in the simultaneous presence of liquid water and chloride ions which accelerate the appearance and development of reinforcement corrosion. When the concentration of chlorides in the concrete coating exceeds a certain threshold, the passivation layer is destroyed, and the corrosion of reinforcing steel is initiated. This phenomenon is accentuated in countries where de-icing salts are used for road safety, as well as, in marine regions. This research work proposes a new non-destructive monitoring method allowing to observe the evolution of the chloride ion concentrations in the cover concrete. This sensor makes it possible to continuously monitor, in real time, the concentration of free chlorides in the concrete pores in order to evaluate the initiation phase of the corrosion. The innovative instrument consists of a fiber optic chemical sensor that has been developed and tested. Theoretical and experimental studies allowed the calibration and validation of the sensor in mortar samples. Blue light travels inside the optical fibers, reaching at their ends a patch sensitive to chloride ions. With fluorescence spectroscopy analysis, often used in the field of biochemistry and medicine, the concentrations of free chloride ions are determined. This small-sized sensor is easy to place at different depths into concrete structures, to continuously monitor the concentration of chlorides contained in the pore solution.

Plusieurs facteurs peuvent modifier le comportement et les propriétés du béton frais durant son transport de l’usine de production jusqu’au chantier, comme les conditions météorologiques, les conditions de livraison ou le facteur humain. Pour pallier à ce phénomène, Denis Beaupré a développé une sonde rhéologique qui se fixe à l’intérieur du tambour des bétonnières, permettant la surveillance en continue des propriétés du béton frais. Dans ce contexte, la présente étude consiste en une évaluation des bénéfices économiques et environnementaux de l’intégration de ce système à des équipements de production de béton. L’impact économique est d’abord étudié en comparant des camions avec et sans sonde, à 4 étapes distinctes du processus de livraison. Le temps d’attente sur chantier des camions est diminué au minimum de 24,4% dans le cadre de l’étude grâce à l’utilisation de la sonde. L’optimisation du temps engendre un gain économique immédiat de plus de 180 000 dollars par an pour une seule usine de production de béton. La partie expérimentale a montré que l’amorçage est influencé linéairement par la valeur de l’affaissement du béton alors que le volume de déchargement par tour semble plutôt l’être par le camion lui-même. Pour le camion et la plage d’affaissement étudiés, la pression du béton exercée sur la sonde n’est plus détectée en dessous de 3m3 de chargement. La Déclaration Environnementale de Produit du béton prêt à l’emploi est utilisée pour chiffrer les gains potentiels. L’impact environnemental associé à la production d’1 m3 de béton frais est amélioré de 9% avec l’hypothèse que la sonde permette de réduire la marge de sécurité de la résistance en compression escomptée à 28 jours. Finalement, réduire cette marge de sécurité de 5 MPa grâce à la sonde a sensiblement le même bénéfice environnemental que le remplacement de 15 % du ciment par des cendres volantes. / Several factors can affect the behavior and properties of fresh concrete during transportation from the production plant to the job site, such as weather conditions, delivery conditions or the human factor. To overcome this phenomenon, Denis Beaupré has developed a rheological probe that is fixed inside the drum of concrete mixers, allowing continuous monitoring of the properties of fresh concrete. In this context, this study proposes an assessment of the economic and environmental benefits of integrating this system into concrete production. The economic impact is first studied by comparing the time spent by trucks with and without probe at 4 distinct stages of the delivery process. On-site truck waiting time is reduced by a minimum of 24.4% in the study, thanks to the use of the probe. The optimization of time generates an immediate economic gain of more than 180 000 dollars per year for a single concrete production plant. The experimental part showed that the priming is influenced linearly by the value of the slump of the concrete whereas the unloading volume per turn seems to be more influenced by the truck itself. For the truck and the subsidence range studied, the concrete pressure exerted on the probe is no longer detected below 3m3 of loading. The Environmental Product Declaration of Ready-Mix Concrete is used to quantify potential gains. The environmental impact of 1 m3 of fresh concrete is improved by 9% with the assumption that the probe can reduce the margin of safety of the expected compressive strength at 28 days. Finally, reducing this margin of safety by 5 MPa thanks to the probe has substantially the same environmental benefit as replacing 15% of the cement with fly ash.

La ville de Coaticook, située au sud de l’Estrie, est régulièrement soumise à des inondationsde son centre-ville, que ce soit en période estivale suite à des événements de pluie majeurs, ou en période hivernale suite à des embâcles ou à des épisodes de pluie et fonte de neige cumulés. Sur le territoire de Coaticook se trouve le ruisseau Pratt, cours d’eau principal de l’étude, qui est contenu dans un chenal traversant le centre-ville et cause des dégâts, principalement matériels, en cas de sortie de son lit. L’objectif principal de cette étude porte ainsi sur la réduction du risque relié aux inondations du ruisseau Pratt dans la ville de Coaticook. Pour ce faire, une modélisation hydrologique du bassin versant du ruisseau Pratt a été réalisée, pour comprendre et quantifier l’aléa hydrologique auquel est soumis la municipalité. Diverses méthodes d’atténuation du débit au centre-ville ont été étudiées et comparées afin d’émettre une recommandation finale à la ville, qui se révèle être la construction d’un bassin de rétention à l’amont du centre-ville. Enfin, un système d’alerte précoce préliminaire a été développé sur le ruisseau Pratt afin d’émettre des prévisions de débit basées sur les prévisions météorologiques de divers modèles climatiques pour permettre à la ville d’être prévenue lorsque les simulations prédisent une inondation du centre-ville, aidant de fait à la prise de décision adaptée de la part des autorités et augmentant également le temps alloué pour la préparation d’un tel événement. / The city of Coaticook, located to the south of the Estrie, is regularly subject to floods in its downtown area, whether in the summer due to major rainfalls, or in the winter due to icejams or combined rainfall-snow melt events. The Pratt River, main waterway of the study, is part of Coaticook’s territory. It is contained in a channel going through the city centre and is causing mainly material damages in case of overflow.Thus, the reduction of Pratt river’s flood-relied risk in the city of Coaticook represents the main goal of this study. To achieve so, a hydrologic model of Pratt river’s watershed was made, making it possible in a second step to understand and quantify the hydrologic hazard to which the town is subject. Multiple mitigation measures were studied and compared in order to be able to issue a final recommandation to the Town on which proposition to prioritize, which will finally be the construction of a retention pond upstream of the city centre. Lastly, a preliminary Early Warning System was developed on the Pratt River so as to be able to issue flow forecasts based on meteorological forecasts from a couple of climatic models, allowing the city to be warned when simulations indicate a flood downtown, helping to make appropriate decisions for the town authorities and to allocate more time for the preparation of such an event.

Le phénomène de fluage, qui est défini comme la déformation dessous une charge constante, a un effet à long terme sur la déformation des structures en béton armé. Récentes recherches montrent que la déformabilité de structures en béton armé du au fluage après quelques décades est largement sous-estimée par les normes. Plusieurs recherchent montrent que le fluage à long terme du béton suit une loi logarithmique dans le temps. Le fluage du béton provient de la microstructure du silicate de calcium (C-S-H) hydratée. Bien que de nombreux travaux expérimentaux et théoriques aient été réalisés, les mécanismes de fluage du C-S-H demeurent mal connus. Parmi les facteurs qui influent sur le comportement au fluage du CS- H, l’humidité relative (HR) est le principal. En fait, la teneur en eau dans les microspores joue un rôle important dans la rigidité, la résistance et la viscosité de la microstructure C-SH. La technique d'indentation permet de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte de ciment à l'échelle microscopique et nanométrique à laquelle les mécanismes de fluage agissent. Par rapport aux expériences de fluage traditionnelles qui durent des mois et des années, le test d'indentation présente l'avantage d'évaluer les propriétés de fluage des matériaux à base de ciment en quelques minutes. De plus, il est plus facile pour l’échantillon d’atteindre l’équilibre humidité en raison du petit volume sondé. Pour extraire correctement les propriétés de fluage, la première étape consiste à établir une méthode d’essai d'indentation viscoélastique. Pour cette étude, la microindentation viscoélastique est analysée respectivement par une pointe sphérique et une pointe de Berkovich. Les propriétés de fluage à long terme sont bien décrites par le paramètre module de fluage de contact (C) de la complaisance au fluage logarithmique. Les propriétés mécaniques de structures C-S-H semblables à celles de Jennite et de Tobermorite à 1.4 nm sont ensuite caractérisées par une microindentation à différents niveaux d’HR. À différents niveaux d’HR, le comportement de fluage et de relaxation des C-S-H est étudié par la nanoindentation statistique sur une pâte de ciment. Le rôle de l'eau sur le comportement au fluage de C-S-H est réexaminé. De nouvelles découvertes concernant le mécanisme de fluage de C-S-H sont présentées et discutées. / The phenomenon of creep has a long-term effect on the durability of the concrete structures. It has been widely agreed that concrete creep originates from the microstructure of calciumsilicate- hydrates (C-S-H). Being a formidable problem, the creep mechanism of C-S-H is still an enigma although numerous experimental and theoretical works have been done. Among the factors affecting the creep behavior of C-S-H, relative humidity (RH) is the primary one. The water content in the micropores plays an important role in the stiffness, the strength, and the viscosity of the microstructure C-S-H. The indentation technique allows characterizing the mechanical properties of the cement paste at the microscale and the nanoscale. Notably, the phenomenon of creep can be observed during the indentation holding phase. Compared with the traditional creep experiments lasting for months and years, indentation testing has the advantage of assessing the creep properties of the cement-based materials in minutes. In addition, it is easier for the specimen to reach the moisture equilibrium because of the small volume probed. To properly extract the creep properties, the first step is to establish the scheme of viscoelastic indentation. For this study, viscoelastic microindentation is analyzed by a spherical and a Berkovich indenter tip, respectively. The long term creep properties are well captured by the parameter of contact creep modulus (C) from logarithmic creep compliance. The mechanical properties of alike C-S-H structures of jennite and 1.4 nm tobermorite are then characterized by microindentation at various levels of RH. At the two levels of RH, the creep and the relaxation behavior of C-S-H is finally investigated by the statistical nanoindentation on a cement paste. The role of the water on the creep behavior of C-S-H is re-examined. The new findings for the creep mechanism of C-S-H are presented and discussed.

Les infrastructures de transport jouent un rôle majeur dans le développement socio-économique des régions nordiques. La construction de remblais combinés aux changements climatiques engendrent des impacts négatifs sur le pergélisol sous-jacent, causant la dégradation des infrastructures. Des techniques de mitigation ont été proposées et testées pour limiter la dégradation du pergélisol. Toutefois, il y a peu d'informations disponibles sur les procédures de conception ou sur des lignes directrices. Le but de cette recherche est de développer des outils d'ingénierie améliorés pour les techniques de stabilisation convectives, se concentrant sur le remblai à convection d'air (ACE) et le drain thermique. Plus spécifiquement, l'approche du bilan thermique est proposée pour déterminer la condition thermique de remblais conventionnels et pour permettre la sélection de la technique de mitigation la plus appropriée pour extraire la chaleur en excès transmise au sol, si le système est actuellement instable, ou pour donner un facteur de sécurité considérant une instabilité future estimée. Quatre modèles thermiques ont été développés et calibrés à partir de données mesurées sur des sites expérimentaux. Un abaque de bilan thermique pour les remblais conventionnels ainsi que plusieurs abaques de capacité d'extraction de chaleur pour l'ACE et le drain thermique ont été développés et validés utilisant, respectivement, des simulations numériques et les données de sites d'essais du Yukon et du Nord du Québec, Canada. Ces abaques permettent aux concepteurs et ingénieurs de concevoir des remblais à convection d'air et des drains thermiques optimisés pour limiter, ou même éviter, le dégel du pergélisol à des sites spécifiques. / Transportation infrastructure plays a vital role in the social and economic development of northern regions. The construction of embankments and climate change can lead to negative impacts on the underlying permafrost, causing degradation of the infrastructure. Mitigation techniques have been proposed and tested to limit permafrost degradation. However, there is limited information on the design procedures or guidelines. The purpose of this research is to develop improved engineering tools for convective stabilization techniques, focussing on air convection embankment (ACE) and heat drain. More specifically, the heat balance approach is proposed to determine the thermal condition of conventional embankments and to allow the selection of suitable mitigation techniques to extract the amount of extra heat flowing into the foundation, if the system is currently unstable, or give a safety factor considering estimated future instability. Four thermal models have been built and calibrated with field data from experimental sites. One heat balance chart for conventional embankments and, several heat extraction capacity charts for ACE and heat drain have been developed using numerical simulations and have been validated using data from test sites in Yukon and Northern Quebec, Canada. These charts allow designers and engineers to design optimized ACE and heat drain to limit or even avoid the thawing of permafrost at specific sites.

L’urbanisation a modifié l’occupation du territoire et, du même coup, le cycle hydrologique naturel de l’eau. Lors d’un événement pluvieux, la pluie peut difficilement infiltrer le sol qui est maintenant grandement imperméabilisé. Elle n’a d’autre choix que de ruisseler sur des surfaces qui peuvent être chargées de particules avant de gagner l’égout pluvial. Ce n’est toutefois pas ce qui se produit sur le site du Marché Public de Longueuil. Ce dernier a été conçu de manière à offrir un traitement qualitatif et quantitatif des eaux pluviales grâce à l’implantation de multiples pratiques de gestion optimales (PGO). L’objectif principal de cette étude est d’étudier la performance qualitative et hydraulique de cellules de biorétention, d’un bassin à niveau permanent et de la chaîne de traitement composée de ces deux infrastructures vertes. De plus, un accent sur les performances en climat hivernal est mis, afin de connaître l’impact des conditions climatiques des hivers québécois sur la performance des PGO. Afin d’atteindre cet objectif, une campagne d’échantillonnage et de prise de mesures a eu lieu sur une période d’approximativement douze mois. Les résultats permettent d’affirmer que les PGO sont actives et efficaces, même en hiver. On note des diminutions moyennes des concentrations grâce à la chaîne de traitement de 93% pour les matières en suspension, 74% pour la demande chimique en oxygène, 16% de l’azote total, 51% du phosphore total, 80% du plomb, 93% du zinc, 58% du cuivre et 73% des hydrocarbures; mais un relargage de sodium a été observé. Au niveau hydraulique en conditions hivernales, la biorétention a permis de diminuer les débits de pointe de 46% et de décaler ces derniers de 1h15 vers le réseau municipal. Ces résultats démontrent que les PGO permettent de faire un traitement à la source des eaux de ruissellement en plus de diminuer les débits rejetés au réseau d’égout, peu importe la température. Il serait intéressant de réaliser des projets de recherche sur d’autres agencements de PGO ou bien avec des configurations différentes. De plus, peu d’études dans la littérature ont été faites sur une longue période de temps. Étudier la performance à long terme de PGO implantées en climat québécois pourrait certainement aider à la promotion de ces infrastructures vertes

Au cours des dernières décennies, la communauté scientifique s’est intéressée aux impacts des changements climatiques sur plusieurs aspects de notre environnement et de notre quotidien. Le présent mémoire continue dans cette voie en analysant les conséquences du climat changeant sur l’hydrologie de la région des Grands Lacs. Plus précisément, des modèles régionaux du climat servent d’outils pour projeter, dans le XXIe siècle, des variables reliées à la disponibilité en eau de cette région. La nécessité d’une telle étude n’a besoin d’aucune argumentation lorsque l’ampleur physique et sociale que représente le territoire touché est comprise. La région des Grands Lacs s’étend sur près de 780 000 km2 et une population de plus de 40 millions v habite. De plus, l’économie sur ce territoire représente plus de 200 milliards USD annuellement (MacKav et Scglcnicks, 2013). Une compréhension plus importante des impacts potentiels des changements climatiques sur l’hydrologie des Grands Lacs est donc de mise. Le travail de recherche se concentre sur certaines variables <qi li interagissent directement avec la disponibilité en eau des lacs. On parle ici de la précipitation et de l’évaporation au-dessus des lacs et du ruissôlement à l’intérieur de leur bassin versant. Combinées, ces composantes donnent une idée du bilan hydrique qui sert à estimer le niveau d’eau d’un lac. Les premières sections mettront la table pour le Chapitre 2 qui contient un article présentant notamment les résultats les plus marquants de l’étude. Le reste de ce document couvrira d’autres aspects intéressants de l’étude qui n’ont pas été inclus dans l’article. / For décades now, the scicntific community lias been interested bv the impacts of climate change on several aspects of our environment and everyday life. The présent work continues in this trend bv assessing the conséquences on the hydrologv of the Great Lakes région. More precisely, régional climate models are used as tools to project, into the 21st century, several variables related to water availabilitv. The importance and relevance of such an analysis need no cxplaining when the physical and social scope of the studied area is understood. The Great Lakes région covers close to 780 000 km2 and is home to some 40 million people. Economi- callv, activities on this territorv are worth more than 200 billions USD each vear (MacKav et Scglcnicks, 2013). A greater understanding of the potential hydrological modifications brought upon this région bv climate change is thus undoubtedly needed. The focus of this work will be on variables that directly interact with water availabilitv of the lakes. Those are: ovcrlakc précipitation, ovcrlakc évaporation and land runoff inside the lakes’ watershed. Combined, the variables can vield an idea of the water budget in a lake and, bv the sanie token, a water level estimate. The first sections of this document will préparé the reader for Chapter 2, which contains an article presenting, aniong other things, the studv’s most interesting results. The remaining sections will cover other aspects of the studv that were not included in the article.