L’industrie du ciment fait face aujourd’hui à un problème environnemental majeur dû aux émissions de CO[indice inférieur 2] lors de la production du clinker du ciment Portland (CP). Bien que des efforts soient faits pour minimiser cet impact négatif sur l’environnement par l’utilisation de sous-produits industriels lors de la fabrication du clinker ou en remplacement partiel du ciment pendant la conception du béton, le crédit carbone reste toutefois élevé. Une des solutions est de remplacer totalement le CP par une nouvelle génération de liants minéraux connus sous le nom de géopolymères qui possèdent des propriétés similaires au CP. Ces liants sont obtenus par l’activation alcaline de matériaux siliceux ou aluminosilicates. C’est dans cette optique qu’une étude basée sur l’activation de la poudre de verre provenant du verre mixte recyclé a été initiée. Il s’agit donc dans cette étude d’optimiser une formulation de poudre de verre activé pour la conception de béton écologique. Cependant, la poudre de verre étant un silicate alcalin, le liant issu de son activation est instable du fait de la teneur élevée en alcalis qui ont tendance à lixivier. Pour stabiliser les alcalis, il a été nécessaire d’ajouter du métakaolin qui a une bonne aptitude de fixation des alcalis. En raison de la grande finesse du métakaolin, son addition augmente considérablement la demande en eau des mélanges et les superplastifiants à base de polycarboxylate se sont avérés inefficaces permettant seulement l’utilisation de teneurs en MK inférieures ou égales à 8%. Par ailleurs, la teneur élevée en alcalis permet l’utilisation de solution de NaOH modérément concentrée ([NaOH]≤ 8M). Aussi, ce type de système nécessite une activation thermique à 60°C pendant au moins 2 jours suivie de la maturation des échantillons à 20°C et 50% d’humidité relative. En effet, une cure normale à 100% d’humidité relative entraine une forte lixiviation des alcalis. Dans cette étude d’optimisation, plusieurs variables influencent donc le système étudié dont les plus importants sont, entre autres : • Le temps et la température de l’activation thermique ainsi que les conditions de cure ou de maturation (température et humidité) qui sont indispensables pour contrôler la cinétique de la réaction de géopolymérisation et donc des performances mécaniques des mortiers. • La teneur en métakaolin, matériau qui a permet de fixer les alcalis à l’intérieur de la matrice géopolymère en empêchant leur lixiviation avec une amélioration progressive des performances mécaniques du mortier. • La concentration en NaOH est une des variables les plus importantes affectant le processus de géopolymérisation. Du fait de la présence d’une teneur élevée en alcalis dans le verre, son activation nécessite une concentration modérée en NaOH. Les conditions optimales d’essais ainsi définies ont permis d’élaborer des bétons à base de poudre de verre présentant des performances mécaniques satisfaisantes (20 MPa à 28 jours). Les analyses minéralogiques, microstructurales et thermiques ont permis l’identification de deux types de gels lorsque la poudre de verre est activée en présence de métakaolin : du gel C-S-H et du gel N-A-S-H. Le processus de géopolymérisation qui se déroule en plusieurs étapes, dont la dissolution, la polymérisation et la condensation-réorganisation a pu être mis en évidence par des analyses calorimétriques.

Les bétons autoplaçants (BAP) représentent une nouvelle technologie révolutionnaire dans le domaine de la construction et du génie civil. L’emploi de ce type de béton innovant ne cesse de gagner du terrain et se généralise à diverses applications grâce à leurs multiples avantages techniques et socio-économiques. Cependant, la formulation des BAP est relativement complexe et coûteuse par rapport à un béton conventionnel vibré. Une forte teneur en liant et un dosage adéquat en adjuvants chimiques sont requis afin d’assurer les propriétés de fluidité, d’homogénéité et de stabilité de ces nouveaux bétons. Par ailleurs, l’utilisation du verre mixte au Québec génère beaucoup de déchets polluants et nuisibles à l’environnement. Dans ce contexte, il semblerait avantageux de recycler ce verre en remplacement partiel du ciment. Cela permet de diminuer le prix de revient du BAP, de limiter l’utilisation des ressources naturelles et d’atténuer la production de gaz à effet de serre. L’objectif principal de cette étude est le développement d’un BAP économique et écologique contenant la poudre de verre (PV) comme ajout cimentaire. L’effet de la PV sur la rhéologie des pâtes de ciment et sur les performances des BAP à l’état frais et durci est évalué. Tous les mélanges de pâtes et de BAP sont préparés avec un rapport E/L de 0,42. Différents pourcentages de remplacement du ciment par la PV, allant jusqu'à 40% en masse de liant total, sont étudiés dans des matrices binaires et ternaires. Dans le cas des systèmes ternaires, la fumée de silice est utilisée à 3% en masse de liant. D'autre part, la cendre volante classe F (CV) et le laitier de haut fourneau (L) sont utilisés à des fins de comparaison. Les résultats des essais montrent que la PV réduit la demande en superplastifiant en comparaison avec la CV et L. En outre l’utilisation de la PV n’affecte pas la viscosité plastique, mais diminue significativement le seuil de cisaillement des pâtes étudiées. D’autres parts, le remplacement partiel du ciment par la PV améliore l’ouvrabilité, la rhéologie et la stabilité des BAP binaires et ternaires sans l’emploi d’un agent de viscosité. Les propriétés mécaniques ainsi que la résistance à la pénétration des ions chlorures et la résistance au gel-dégel des BAP incorporant la PV sont comparables voir meilleures que celle du témoin dépendamment du pourcentage de remplacement. On peut dire qu’il est possible de produire un BAP incorporant la poudre de verre comme ajout cimentaire alternatif local dans une optique de développement durable.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le cadre de cette thèse un verre phosphate de zinc dopé avec des cations d’argent a été irradié par laser femtoseconde. Cette irradiation induit l’apparition dans le voxel de focalisation, d’une émission de fluorescence et une génération de second harmonique au sein du verre. La fluorescence a été attribuée à la création d’agrégats fluorescents composé d’une dizaine d’atomes d’argent. Une étude spectrale a été réalisée permettant de distinguer les différents types d’agrégats générés. Par ailleurs, la génération de seconde harmonique est attribuée à la présence d’un champs électrique enterré dans la zone irradié par effet EFISH (electric field induced second harmonic). La direction et la répartition de ce champ électrique, ont été étudié optiquement et conduisent à sa représentation spatiale.Les effets des paramètres expérimentaux, tels que le nombre d’impulsions laser, l’énergie par impulsion, la température du verre et le recuit sur les caractéristiques de la GSH et de la fluorescence, ont été étudiés. Enfin un processus global est proposé, expliquant les différentes étapes de la structuration, de la création du champ enterré par migration d’électrons à la réduction des cations d’argent et la croissance des agrégats. / In this work, a phosphate-zinc glass doped with silver ions was irradiated with a femtosecond laser. This irradiation causes the appearance of sub-micron features in the glass. Those features exhibit fluorescence and second harmonic generation. Fluorescence is linked to the aggregations of silver clusters in the glass. Second Harmonic Generation is linked to the creation of a buried electric field inducing an EFISHG effect.Polarization and spectroscopic studies were performed on these features. Those studies allowed us to produce a three-dimensional representation of the features. A phenomenological model, from the interaction of the laser pulses with the glass, to the movement of charges enabling the buried field, is developed to explain the overall process, therefore linking the migration of the electrons to the reduction of silver ion and the cluster growth.

Ce travail a pour objectif principal d'adapter l'opalisation des verres sodocalciques destinés au flaconnage, à la technologie existante de coloration en feeder. Les résultats obtenus amènent à proposer des alternatives aux particules opacifiantes usuelles résultant de l'introduction de cristaux de fluorures, dangereux pour leur environnement. L'opalisation dans un verre sodocalcique induite par l'apport de phosphore, résulte de la précipitation du phosphate mixte NaCaPO4. Cependant, la formation de cette phase nécessite des traitements thermiques difficilement adaptables à la technologie de coloration en feeder. La voie finalement envisagée est celle des oxydes à faible solubilité SnO2, ZrO2 et ZrSiO4. L'oxyde d'étain a fait l'objet d'approfondissements spécifiques dans la mesure où sa limite de solubilité est la plus faible. L'influence de la composition des verres sodocalciques est abordée et les conséquences du caractère multivalent de l'élément Sn sont évaluées avec l'appui de mesures in-situ par des méthodes électrochimiques. Des produits opacifiants contenant SnO2 sont finalement proposés, répondant au cahier des charges et n'introduisant pas de fluorures. Les compositions de ces produits, sous formes de frittes vitreuses, ainsi que les paramètres semi-industriels principaux sont optimisés suite à deux plans d'expériences. / The main goal of the present work is to achieve hollow-ware soda-lime glass opalization, through the forehearth color (FHC) technology. The results are suggesting two solutions to get rid of the usual opacifying particles: fluorides crystals. These are known to be dangerous and highly corrosive. Soda-lime glass opalization, induced by phosphorus addition, consists in NaCaPO4 precipitation. However, this phase appears only after specific heat treatments, which are found to be hardly compatible with the FHC technology. Low solubility oxides SnO2, ZrO2 and ZrSiO4, are finally chosen as a second option for opalization. Tin oxide is more precisely studied, as it has the lowest solubility limit. The influence of glass composition on the oxides solubilization is investigated. Tin multivalent property is also characterized using in situ electrochemical methods. Opacifying compounds (glass frits) containing SnO2 are finally developed, in agreement with all industrial requirements and avoiding the use of fluorides. Compositions of these compounds and semi-industrial process parameters are optimized with two distinct designs of experiments.

Dans un environnement urbain pollué, les altérations qui affectent les verres du patrimoine dépendent de facteurs intrinsèques, extrinsèques et temporels. Afin de caractériser les altérations atmosphériques résultant des interactions entre ces différents facteurs une stratégie de recherche prenant en compte un environnement multiphasique, le matériau (composition et surface) et le temps a été mise en place. Pour ce faire une étude complémentaire est menée sur des verres de vitraux exposés plusieurs centaines d'année et de verres modèles exposés en site réel et altéré artificiellement en laboratoire. Une approche multi-instrumentale et multi-échelle a été mise en place. Elle a permis d'identifier des mécanismes d'évolution de la couche d'altération (CA) notamment par la formation de lamines concentriques de ~10 nm (anciens fronts d'altération probables). L'exploration de l'impact des eaux de ruissellement montre que l'évolution de l'épaisseur de CA est dépendante à la fois d'une cinétique de diffusion (√t) et de dissolution (t). Enfin l'influence indirecte des produits néoformés sur l'altération semble jouer un rôle majeur à la fois en condition de ruissellement, avec la présence de CaCO3 qui précipite le détachement des écailles, et en milieu abrité, où la présence de K2CO3 est mise en cause dans la dissolution du réseau vitreux / In a polluted urban environment, alterations affecting heritage glasses depend on intrinsic and extrinsic factors as well as time. In order to characterize the atmospheric alteration resulting from the interactions occurring between these factors, a research strategy has been set up, taking into account the multi-phase environment, the material (composition and surface) and time. In order to do so, a complementary study was conducted on stained glasses displaying several hundred years of alterations and model-glasses exposed in-situ for a few years or artificially altered in the lab. A multi-instrument and multi-scale approach was used in this study. It allowed the identification of the mechanisms responsible for the evolution of the leached layer (LL), especially the presence of concentric 10nm thick laminae (probable traces of alteration front). The exploration of the run-off impact on alteration shows a dependency of LL thickness on both diffusion type kinetics (√t) and dissolution kinetics. Finally, the indirect impact of neoformed alteration products seems to take a major part both in run-off conditions, CaCO3 hastens the scaling, and in sheltered conditions, where K2CO3 can be cause for glass network dissolution

Le comportement en corrosion d'alliages chromine (Cr2O3) et alumine (Al2O3) formeurs dans des verres sodo-calciques à haute température a été étudié en utilisant des techniques électrochimiques. Les mécanismes réactionnels de la corrosion par ce type de milieu ont ainsi pu être abordés, de même que les aspects cinétiques. Les résultats ont montré que l'alumine n'est pas capable de protéger les alliages, étant donnée sa très forte solubilité dans le verre. Cependant, les alliages chromine formeurs ont montré une meilleure résistance à la corrosion, et ce s'ils ont subi un traitement de pré-oxydation. Une compétition entre la croissance de la couche de chromine et sa dissolution régit la durée de vie de la couche protectrice. Ainsi la physico-chimie de la chromine en milieu verre fondu a été étudiée. Sa solubilité a été mesurée afin de comprendre l'influence des paramètres température (T), fugacité en oxygène (fO2) et composition du verre. Une étude cinétique a mis en évidence l'influence de ces paramètres sur les mécanismes et le temps de mise à l'équilibre. D'un point de vue thermodynamique, l'influence des paramètres T et fO2 sur la solubilité du chrome dans des verres ternaires Na2O-CaO-xSiO2 est cohérente avec celle déjà observée sur des verres binaires Na2O-xSiO2, la solubilité de la chromine étant bien plus faible dans les verres ternaires. L'influence de la basicité a été étudiée en prenant en compte la basicité optique théorique (^th) et l'activité en oxyde de sodium (aNa2O). Les rapports redox (CrII/CrIII et (CrVI/CrIII) ont été déterminés suite à un affinement mathématique. Les grandes différences observées par rapport aux résultats théoriques (vérifiés dans les verres binaires) dans le cas où la spéciation du chrome intervient laissent penser que l'oxyde de calcium CaO influe sur les réactions impliquant le couple O2/O2- / The corrosion behaviour of chromia (Cr2O3) and alumina (Al2O3) forming alloys in soda-lime silicate melts was studied by using electrochemical measurements. The general aspects of the corrosion by molten glass as well as the redox reactions and the kinetics ruling the corrosion process were determined. The results revealed that Al2O3 is not able to provide protection against corrosion since it has a high dissolution in the melt. However Cr2O3 forming alloy could resist against corrosion if the alloy was subjected to a preoxidation treatment. A competition between the oxide growth and its dissolution in the melt rules the durability of the protective Cr2O3 layer. Thus, the physicochemistry of Cr2O3 in molten glass was then studied in order to understand the influence of temperatures (T), oxygen fugacities (fO2) and glass composition on the limit of solubility of Cr2O3. A preliminary kinetics study revealed that the time to reach equilibrium varies with these parameters. A thermodynamic study showed that the influence of T and fO2 on the Cr2O3 solubility in ternary soda-lime silicate melts (Na2O-CaO-xSiO2) is in coherence with results previously obtained in binary melts (Na2O-xSiO2). Nevertheless, the Cr2O3 solubility in ternary melts is lower than in binary melts. The influence of basicity was studied in both melts by taking into account the theoretical optical basicity (^th) and the activity of Na2O (aNa2O). The redox ratios (CrII/CrIII and CrVI/CrIII) were determined through a mathematical refinement. The comparison with the results obtained in binary melts and the deviation from the theoretical values expected when speciation of Cr is involved, induced assumptions on the role played by CaO in influencing the reactions involving species from O2-/O2 couple

Les besoins technologiques toujours grandissants dans la société moderne suscitent la nécessité de développer des matériaux multifonctionnels innovants. Ceci est vrai surtout dans des domaines de pointe, tels que la microélectronique et la conversion d'énergie, où on demande aux matériaux de limiter la dissipation de chaleur tout en ayant de bonnes propriétés électroniques.L'optimisation d'un tel type de matériaux est toutefois complexe: une forte réduction de la conductivité thermique se fait en général aux dépenses de la conductivité électrique. Une stratégie qui a été récemment introduite est de développer des matériaux hétérogènes à l'échelle nanométrique, dits « nanocomposites ». Malgré le potentiel dont ils ont déjà fait preuve, à ce jour la compréhension fondamentale de leurs propriétés reste encore limitée. Dans cette thèse nous présentons une étude fondamentale des propriétés de transport dans des composites basés sur une matrice amorphe contenant des inclusions cristallines de tailles nanométriques, afin d'acquérir une compréhension microscopique des mécanismes en jeu. Pour ce faire, nous avons effectué une étude expérimentale dans deux composites intermétalliques, un verre métallique et un verre chalcogénure, obtenus par cristallisation directe du verre. Nous avons pu mettre en évidence un comportement fortement dépendant du contraste de propriétés entre la matrice vitreuse et les inclusions cristallines. Nos conclusions ont trouvé confirmation dans des simulations numériques par dynamique moléculaire que nous avons effectué' sur des systèmes modèles, qui ont en effet permis de mettre en évidence l'effet d'un contraste de rigidité sur les propriétés vibrationnelles de ce type de composite / Face to the growing technological needs in the modern society, the need has arisen of developing novel multifunctional materials, able to simultaneously assure different functions.This is especially important in advanced technologies, such as microelectronics and energy harvesting, where heat dissipation reduction is essential, while keeping good electrical properties.Optimizing such materials represents however a challenging task: lowering thermal conductivity generally implies lowering the electrical conductivity as well. A new strategy has recently aroused consisting in exploiting heterogeneous materials at the nanoscale, so-called “nanocomposites”. Despite their great potential, the fundamental understanding of their properties is still lacking.In this thesis, we present a fundamental investigation of the transport properties in composites made of nano-inclusions embedded in an amorphous matrix, aimed to get a microscopic insight into the mechanisms ruling transport in such materials.To this purpose, we have carried on an experimental study in two intermetallic composites, based on a metallic glass and a chalcogenide glass, where crystalline inclusions were directly obtained from the glass temperature-induced recrystallization.We find that transport behavior is strongly dependent on the properties’ contrast between the amorphous matrix and the crystalline inclusions.Our findings are comforted by our theoretical results, obtained by molecular dynamics simulations on a model composite system, which highlight the effect of the rigidity contrast on the vibrational properties of such material, and thus on thermal transport

Après une dizaine d'années de recherche, les verres autonettoyants ont été commercialisés en 2001. Leur principe est basé sur les propriétés photocatalytiques d'une couche submicronique de TiO2 déposée à leur surface. Sous l'action du rayonnement solaire et en présence d'oxygène, ils sont capables de dégrader les salissures organiques adsorbées en surface. Le présent travail a pour but d'apporter une meilleure compréhension des interactions entre la couche TiO2 et les salissures réelles, ainsi que d'évaluer les cinétiques de dégradation photocatalytique de polluants modèles par les verres. L'influence de différents paramètres tels que la température, les caractéristiques de l'irradiation, la nature des familles des polluants a été étudiée et corrélée aux performances des verres.

La nanoindentation est aujourd'hui une technique bien implantée dans un laboratoire. Au début de ce travail, elle n'existait pas, du moins dans sa version de vulgarisation. On disposait de l'essai de dureté et des techniques d'observation du type microscopie à force atomique(AFM) .L'idée est d'associer les deux appareils pour déterminer à partir de l'observation d'un profil d'empreinte de dureté, les propriétés mécaniques élastiques du matériau indenté. On s'aperçoit alors que l'établissement de trois formules va aider à l'exploitation du profil. En comparant les modules de Young E obtenus par cette méthode avec ceux acquis par la technique des ultrasons, on sous estime la réalité mais en utilisant la définition du facteur de forme géométrique, nous sommes capables de déterminer la phase de fabrication du bourrelet et la phase de cisaillement lors d'un cycle de charge et de décharge. L'utilisation de l'indentation instrumentée est alors légitime pour mieux comprendre ce qu'il se passe lors de l'indentation, en particulier la technique de la mesure en continu de la raideur S(CSM). Lorsque nous comparons les valeurs obtenues avec celles de la propagation des ondes ultrasonores, nous surestimons la valeur réelle. Dans ce travail, nous sommes capables d'encadrer la valeur réelle du module de Young par une technique originale développée au LARMAUR et par la CSM. Le facteur de forme est un bon indicateur de présence de bandes de bourrelet ou de cisaillement en fonction de sa valeur par rapport à l'unité.