La capacité de déformation améliorée et la résistance à la fissuration par retrait rendent les composites cimentaire caoutchoutés adaptés aux applications de grande surface telles que les chaussées et les rechargements minces adhérents à base cimentaire. Cependant, le défaut d'adhérence entre les agrégats de caoutchouc et la matrice cimentaire, bien connu, demeure nuisible aux propriétés mécaniques et de transferts de ces matériaux. De plus, en raison de la faible rigidité des granulats caoutchouc, il est universellement accepté une réduction de certaines propriétés mécaniques des composites caoutchoutés à base de ciment. Néanmoins, leurs propriétés de transfert pourraient être compétitives avec le mortier à base de granulats naturels si la liaison à l'interface caoutchouc-ciment est améliorée. Afin d'améliorer l'interface, les granulats caoutchouc ont d'abord été revêtus d'un copolymère styrène-butadiène et après densification complète de ce copolymère à la surface des agrégats caoutchouc, ils ont été incorporés au mélange cimentaire. Dans un premier temps, une analyse microstructurale utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectrométrie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS) et la diffraction des rayons X (DRX) a permis de préciser que la pâte de ciment adhérait fermement aux granulats caoutchouc revêtus de copolymère. Dans un second temps, les propriétés mécaniques et de transfert de ce mortier ont ensuite été comparées à celles du mortier témoin (granulats naturels) et de deux autres mortiers caoutchoutés dans lesquels l'un d'entre eux a été ajouté un désentraineur d'air pour produire un mélange caoutchouté ayant la même teneur en air que le mortier témoin. Les résultats ont démontré une interface améliorée du caoutchouc-ciment fournissant une amélioration significative des propriétés de transfert telles que la perméabilité à l'air et l'absorption capillaire d'eau. Cependant, la diminution des propriétés mécaniques (résistance à la compression et module d'élasticité) demeure en raison de la faible rigidité des granulats caoutchouc. Quant à la résistance à la traction et la résistance résiduelle post-pic témoignent d'une énergie de rupture plus élevées dans le cas de granulats revêtus du copolymère, démontrant un effet de pontage amélioré rendu possible par la liaison entre les granulats caoutchouc et la matrice de ciment. Cet effet de pontage a également contribué à améliorer la résistance des composites caoutchoutés à la fissuration par retrait empêché Afin d'étayer les effets d'une interface caoutchouc-ciment améliorée, la durabilité des mortiers caoutchoutés dans des environnements agressifs a été étudiée. En ce qui concerne l'attaque à l'acide acétique, une faible profondeur dégradée et une réduction de la perte de masse et de résistance à la compression des mortiers caoutchoutés revêtus de copolymère ont été observés par rapport au mortier témoin. Le mortier caoutchouté enduit de copolymère se comporte également mieux en empêchant la diffusion du sulfate de sodium dans le composite. La dégradation des mortiers dans des environnements agressifs a également été évaluée sur la base d'une variable d'endommagement. Il en ressort que les matériaux caoutchoutés revêtus de copolymère étaient plus durables que les matériaux non traités exposés à des environnements agressifs. / Properties of improved strain capacity and high shrinkage cracking resistance make rubberized cement-based composites suitable for large surface applications such as cement-based pavements and thin bonded overlays. However, bond defect between rubber aggregates (RA) and cement matrix is well-known and detrimental to properties of rubberized cement-based materials. It is universally accepted a reduction in some mechanical properties of rubberized cement-based composites mainly due to low stiffness of RA. Nevertheless, their transfer properties could indeed be competitive with control mortar (without RA) if bond at rubber-cement matrix interface is improved. In order to enhance the interface, RA were firstly coated with styrene-butadiene copolymer and after complete densification of this copolymer on surface of RA, they were mixed with the pre-mixed cementitious mixture. Microstructural analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectrometry (EDS), and X-Ray Diffraction (XRD) clarified that cement paste bonded firmly on copolymer-coated RA. Mechanical and transfer properties of this mortar were then compared to that of control mortar and two rubberized mortars in which one of them air-detraining admixture was added to produce rubberized mixture with the similar air content as the control mortar. Findings have demonstrated an enhanced rubber-cement matrix interface provided a significant improvement on transfer properties such as air permeability and water capillary absorption. However, a reduction in mechanical properties (compressive strength and modulus of elasticity) was still observed due to low stiffness of RA. Rubber coating appeared to limit the reduction in tensile strength and to result in a higher residual post-peak strength and fracture energy, demonstrating an improved material bridging effect made possible by the bond between RA and cement matrix. The bridging effect also contributed to improve resistance of rubberized composites to shrinkage cracking even under high restrained conditions. Based on above-mentioned characteristics, the study further investigated the durability of rubberized mortars under aggressive environments to observe the effects of RA incorporation and of an enhanced rubber-cement matrix interface. Regarding acetic acid attack, a low degraded depth and a reduction in loss of both mass and compressive strength of rubberized mortars, especially the one incorporating copolymer-coated RA, were observed compared to the ones of the control mortar. The coated rubberized mortar also behaves better in preventing sodium sulfate diffusion into the composite. The degradation of mortars under aggressive environments was also evaluated based on a damage variable, which was defined as a relative change in equivalent load-resisting area of mortar specimens between their original condition and at a given time when they were exposed to acid or sulfate solutions. From damage variable values, it can be concluded that coated rubberized mortar was more durable than the untreated one against aggressive environments. The durability of untreated and coated rubberized mortars under freeze-thaw cycles was also carried out and compared to that of control mortar. The rubberized cement- based composites were more resistant to freezing and thawing than the control one, especially in terms of dimensional expansion. The better performance can be attributed to high energy absorption of RA and to higher porosity, lower water capillary absorption and high strain capacity of rubberized mortars. Rubber coating, even reducing the permeability of rubberized cement-based composites, still remained high durability of their applications under frost environment.

This study develops an innovative configuration of seismic natural rubber dampers for multistory low- and medium-rise steel braced frames. The dampers are directly integrated in an horizontal position in the seismic force resisting system of the structure. They are connected in a series with typical chevron brace systems.This control system provides not only additional structural damping to the structure but also a period shift, acting in the same way as a base isolation system. First, the fiber reinforced natural rubber used in the application was tested. It exhibited strong non linear dependance of its equivalent viscoelastic properties related to the shear strain. Then, a 1/3-scale 3-story chevron braced steel frame with and without dampers was considered. The structure was build and placed on the shaking table of the University of Sherbrooke Structures Laboratory. Numerical studies show that the efficiency of the control system reduces strongly the seismic induced forces of the undamped structure without any amplification of displacement or drift. Obtained seismic response reduction levels represent significant safety and economical benefits for the proposed application. Finally, the control system viability is experimentally demonstrated by shaking table tests at different reduced seismic intensities. Non linear behavior of the structure due to non linear behavior of the damping material is highlighted, and the dependance of seismic control performances is shown to be related to seismic intensities. Results allow an extrapolation of the experimental control peformances tending to the numerical results at higher intensities.

L'isolation sismique à la base est une méthode de conception parasismique qui consiste à introduire de la flexibilité à la base d'une structure afin de réduire sa vulnérabilité aux séismes. La flexibilité introduite permet de séparer la fréquence propre de la structure de la plage de fréquences naturelles du séisme. Les grands déplacements qui surviennent à cause de la flexibilité peuvent être contrôlés par introduction d'amortissement dans le système. Les isolateurs sismiques permettent ainsi de réduire significativement la demande en force et en déformation sur les principaux éléments structuraux. Il en résulte une augmentation du niveau de performance de la structure en cas de séisme. Les isolateurs sismiques en élastomère (ISE) font partie des types d'isolateur les plus utilisés à cause de leur facilité de fabrication, d'installation et d'entretien. Toutefois, ces isolateurs présentent un comportement mécanique non linéaire dépendant de plusieurs facteurs qui varient durant la phase d'utilisation (température, déformation interne, fréquence de chargement...). Il s'ensuit que, pour assurer la sécurité de l'ouvrage isolé, il est important de connaître l'impact de la variation de chacun des facteurs sur les propriétés mécaniques des isolateurs en caoutchouc. Le présent projet de recherche étudie l'influence du niveau de compression axiale sur les propriétés mécaniques des isolateurs sismiques en caoutchouc naturel. Des essais expérimentaux ont été réalisés sur une série de douze isolateurs sismiques pour étudier l'effet de la charge axiale sur la rigidité latérale et le niveau de dissipation d'énergie. Les résultats ont montré une réduction de la rigidité et une augmentation du niveau d'amortissement avec l'augmentation de la contrainte axiale. Une analyse par éléments finis a aussi été menée pour étudier la stabilité des isolateurs à l'état déplacé. L'étude numérique a montré une concordance avec les prédictions théoriques à l'état non déplacé et une sous-estimation de la capacité de l'isolateur à l'état déplacé. L'étude a aussi fait ressortir une relation entre le facteur de forme, l'élancement et la capacité de l'isolateur à l'état déplacé. Le projet de recherche est réalisé sous la direction du professeur Patrick Paultre, dans le cadre des travaux du centre de recherche en génie parasismique (CRGP) sur la réduction de la vulnérabilité sismique des structures.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'objectif général de cette thèse était d'étudier les mécanismes microbiens intervenant dans l'évolution de la structure et des propriétés du caoutchouc naturel produit à partir du latex d'Hevea brasiliensis lors de la maturation du latex et des coagula de tasse. Pour cela, trois niveaux d'analyses ont été réalisés sur des expériences de maturation en conditions contrôlées : analyse de la structure et des propriétés du caoutchouc sec, analyse des flores microbiennes et analyses biochimiques. Après une phase de mises au point méthodologiques permettant notamment d'optimiser les conditions de maturation en chambre contrôlée et de définir une méthode d'extraction d'ADN adaptée au latex et au sérum de coagulum, des échantillons de caoutchouc sec et de sérum ont été produits à différents temps de maturation et selon différents traitements faisant varier trois paramètres : la présence de microorganismes, la présence d'oxygène, et le mode de coagulation du latex. Les analyses sur caoutchouc sec se sont portées sur la macrostructure (P0, P30 et PRI) et sur la mésostructure (Mw, Mn et gel total). L'analyse des flores microbiennes s'est appuyée sur plusieurs méthodologies complémentaires : comptages sur boîtes, dosage de l'ADN total, clonage/séquençage et pyroséquençage 454. L'objectif était d'évaluer la diversité des flores sur plantation et dans le latex ainsi que de suivre la dynamique de leur évolution au cours de la maturation en milieu contrôlé. Diverses analyses biochimiques ont réalisées sur latex, sérum et caoutchouc sec (taux d'azote, protéines, lipides, sucres, québrachitol, acides organiques). Les résultats obtenus ont ensuite été analysés en vue d'établir des corrélations et de proposer des mécanismes reliant l'évolution des propriétés du caoutchouc sec à celle de la biochimie du latex et des coagula et de leur évolution sous l'action des microorganismes et des enzymes, et de proposer quelques pistes en vue de l'amélioration des itinéraires techniques dans la filière. / The overall objective of this thesis was to study the microbial mechanisms involved in the evolution of the structure and the properties of the natural rubber from Hevea brasiliensis during the maturation of latex and cup-coagula. For this, three levels of analyses were performed on maturation experiments under controlled conditions: dry rubber structure and properties, biochemistry and microbial flora. After a methodology development phase aiming at (i) optimizing maturation conditions in a controlled chamber and (ii) defining suitable DNA extraction methods, samples of serum and dry rubber coagulum were produced at different times and under different maturation treatments varying three parameters: the presence of microorganisms, the presence of oxygen, and the latex coagulation method. Dry rubber analyses concerned macrostructure (P0, P30 and PRI) and mesostructure (Mw, Mn and total gel). The microbial flora was analyzed using several complementary methods: plate-counts, total DNA determination, cloning / sequencing and 454 pyrosequencing. The objective was to assess microbial diversity on field and in latex, and to follow the dynamics of their evolution during maturation in a controlled environment. Various biochemical investigations were performed on latex, serum and dry rubber (nitrogen content, proteins, lipids, sugars, quebrachitol, organic acids). The results were then analyzed for correlations to propose mechanisms linking changes in dry rubber properties, latex and coagula biochemistry, and their evolution under the action of microorganisms and enzymes. Some ideas for improving technical routes in the process are also proposed.

Cette étude porte sur la production et à la caractérisation de matériaux composites à base de matrices d’époxy modifiées par incorporation de particules de caoutchouc recyclées et dévulcanisées. Ces matrices sont renforcées par des fibres d'alumine (Al2O3- FA) et/ou par des nanoplaquettes de graphène (GnPs). Principalement, la fabrication, la caractérisation générale des composites ainsi que l’identification des mécanismes de renforcement à l’échelle micro et nano ont été réalisées. En outre, la fabrication de composites multifonctionnels à base de caoutchouc dévulcanisé et d'époxy a été réalisée pour des applications diverses potentielles dans les industries aéronautique et automobile. Dans un premier temps, les propriétés mécaniques et thermomécaniques des composites ont été étudiées de manière approfondie. L’étude mécanique a consisté à mesurer le module d’élasticité, la ténacité et la température de transition vitreuse. / Recycling of rubber is gaining importance across the world in many industries due to shrinking resources, increasing cost of raw materials, growing conscious about sustainable development as well as environmental issues. In the frame of the common research program between Michigan Tech University/USA and Supmeca/Paris-FRANCE, this PhD work is devoted to the design, development and characterization of recycled rubber modified epoxy-based composites . Additionally, alumina (Al2O3) fibers (AFs) and/or graphene nano platelets (GnPs) have been used as the basic reinforcements. A detailed experimental approach was adapted to these multifunctional composites for explaining of toughening mechanisms by means of fracture toughness test methods and scanning electron microscopy (SEM) on the fracture surfaces. Also, different case studies were included at the end of this work for various potential applications in aeronautic and automotive industries.

Le caoutchouc naturel (CN) est un élastomère produit à partir du latex d'Hevea brasiliensis. Ce matériau est constitué en moyenne de 94% (m/m) de poly(cis-1,4-isoprène) et de 6% (m/m) de composés non-isoprènes avec notamment des lipides (1,5-3,0%), des protéines (~ 2,0%) et des éléments minéraux (0,2%). Ces composés non-isoprènes seraient responsables de la structure associative ainsi que des propriétés remarquables du CN. Ce matériau présente une grande variabilité de ses propriétés de mise en œuvre, liée aux conditions agronomiques (saison, clones, système d'exploitation) et aux différents procédés de fabrication existants. Le projet CANAOPT, dans lequel s'inscrit cette thèse, vise à identifier et à quantifier les sources de variabilité, ainsi qu'à développer de nouveaux grades de CN à variabilité réduite et contrôlée pour les applications antivibratoires. Ces travaux de thèse visent à mieux comprendre l'origine du gel du CN et son influence sur les propriétés rhéologiques du matériau. Cette phase gel (ou gel total) est constituée d'une fraction insoluble en solvant organique appelée le macrogel, et d'une fraction de microagrégats dispersés dans la fraction soluble et appelée le microgel.Le premier axe de recherche de cette thèse vise à identifier l'effet du gel sur les propriétés rhéologiques du CN. Dans ce but, des méthodes ont été développées afin de quantifier les différents taux de gels du CN, de caractériser la structure des chaînes de poly(cis-1,4-isoprène) et des microagrégats (SEC-MALS en mode TBABr), mais également de mesurer les propriétés rhéologiques en double cisaillement (DMTA). Une méthode permettant de caractériser rapidement le taux de composés non-isoprènes des échantillons par spectroscopie FT-IR a également été mise au point. Des corrélations ont d'abord été mises en évidence entre les masses molaires moyennes des macromolécules et les propriétés rhéologiques d'une sélection de 25 échantillons différents. Enfin, une corrélation a également été mise en évidence entre le taux de gel total et le paramètre K' décrit par le modèle de Perez. Ce paramètre est déterminé graphiquement par la représentation Cole-Cole. En parallèle, ces travaux se sont portés sur une caractérisation physico-chimique du microgel et du macrogel du CN. Une méthodologie d'extraction du microgel a été mise en place, et a permis la caractérisation des microagrégats du CN. La composition, le degré de réticulation, et les propriétés rhéologiques des macrogels issus d'une sélection de 11 échantillons de CN ont également été étudiés. Il a été montré que le taux de protéines contenus dans le macrogel (5-51% m/m) est directement lié à son degré de réticulation et impacte ses propriétés rhéologiques, très supérieures à celles du CN brut et de la fraction soluble correspondants. / Natural Rubber (NR) is an elastomer made from Hevea brasiliensis latex. It contains about 94% (w/w) of cis-1,4-polyisoprene and 6% (w/w) of non-isoprene compounds, such as lipids (1.5-3.0%), proteins (~ 2.0%) and minerals (0.2%). These non-isoprene compounds are assumed to be responsible for the associative structure and the outstanding properties of NR. However, substantial variability in NR properties is caused by diverse agronomic conditions (season, clones and tapping system) and by the different manufacturing processes. This PhD thesis is part of the French CANAOPT project, which aims to create new NR grades with reduced and controlled variability for antivibratory applications. This PhD work aims for a better understanding of the origin of the NR gel phase and its influence on rheological properties. The gel phase of NR (or total gel) is composed of a fraction that is insoluble in organic solvent (macrogel), and of microaggregates dispersed in the soluble fraction (microgel). The first component of this PhD research set out to identify the impact of the gel phase on NR properties. To that end, characterization methods were developed in order to investigate the different gel contents, the structures of cis-1,4-polyisoprene chains and microaggregates (SEC-MALS in TBABr mode), and also rheological properties in double-shear solicitation (DMTA) of NR samples. The non-isoprene contents (lipids and proteins) were also investigated using a new characterization method in FT-IR spectroscopy, developed during this PhD work. Correlations between the average molar masses of the macromolecules and the rheological properties of 25 NR samples were highlighted. Finally, a correlation was found between the total gel content and a K' parameter, introduced by the Perez model and graphically determined by the Cole-Cole representation.At the same time, physicochemical characterization of the microgel and the macrogel of NR samples was undertaken. First, a new method was developed in order to extract and study NR microaggregates. The composition, the degree of crosslinking and the rheological properties of macrogels extracted from 11 NR samples were also investigated. It was found that the protein content (5-51% w/w) of the macrogel was clearly correlated to its degree of crosslinking. The macrogel protein content also influenced its rheological properties, which were much greater than those of the corresponding NR and soluble fraction.

Nous étudions le thermoformage assisté par poinçon d'un mélange de polystyrènes, afin de progresser dans la compréhension des phénomènes physiques impliqués et de permettre un meilleur contrôle du procédé. Nous nous appuyons pour cela sur une étude expérimentale associant des essais de thermoformage sur prototype instrumenté, une étude rhéologique, conduite sur une large gamme de température, vitesse et mode de chargement, et la caractérisation des interactions poinçon/matière tant du point de vue tribologique que thermique. L'analyse des cinématiques de mise en forme (grâce à une caméra rapide) permet de décrire les conditions réelles de sollicitation de la matière, qui sont rapides (jusqu'à 100 s-1), séquencées, inhomogènes et non isothermes. L'influence des paramètres de mise en œuvre est précisée et, en particulier, le rôle majeur du contact avec le poinçon, qui est le siège d'un fort couplage entre thermique du contact, frottement et rhéologie. Le comportement du polystyrène en thermoformage est fortement évolutif avec la température et la vitesse de sollicitation, du fait de la proximité de la transition a. Il est majoritairement réversible et peu dissipatif. Il évolue continûment d'un comportement hyper-viscoélastique vers un comportement élasto-viscoplastique et nous montrons que c'est l'écart à la transition a, tel qu'il est défini par le couple température/vitesse, qui gouverne ces évolutions. Le principe d'équivalence temps-température peut être étendu aux grandes déformations. La thermique du contact, qui définit la température locale du polymère au niveau de l'interface, qi, est primordiale. Elle dépend de la température et des propriétés thermiques des deux corps, mais aussi de la résistance de contact qui reste cependant difficile à estimer. Elle influence aussi le frottement, dont les effets ne peuvent s'exprimer que lorsque le refroidissement local du polymère n'est pas trop sévère (qi >Ta). En outre, le frottement entre le poinçon et la feuille est thermodépendant et sensible à la vitesse de glissement. Des modélisations phénoménologiques de ces phénomènes et de leurs couplages ont été proposées, ainsi qu'une méthodologie permettant d'identifier expérimentalement les paramètres des modèles. Leur apport a été validé dans un contexte numérique.

Le caoutchouc naturel est connu pour ses excellentes propriétés mécaniques en fatigue multiaxiale et celles-ci sont généralement attribuées à sa faculté à cristalliser sous contrainte. Cependant, le lien entre la cristallisation sous contrainte et les propriétés mécaniques du caoutchouc naturel n'a jamais été établi. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre l'origine des excellentes propriétés en fatigue multiaxiale du caoutchouc naturel chargé au noir de carbone, en considérant deux échelles d'étude fines, par opposition à l'échelle macroscopique généralement considérée. La première partie de la thèse est dédiée aux mécanismes de propagation des fissures de fatigue uniaxiale et de dissipation d'énergie à l'échelle des fissures et micro-fissures ; ces mécanismes sont déterminés grâce à des essais originaux de propagation in-situ observés au microscope électronique à balayage. Dans la deuxième partie de la thèse, la cristallisation sous contrainte est étudiée à l'échelle macromoléculaire, en déformation quasi-statique multiaxiale d'une part et en fatigue uniaxiale d'autre part, par des essais de diffraction des rayons X réalisés au synchrotron Soleil. Les différentes caractéristiques des cristallites, c'est-àdire leur taille, orientation, nombre et paramètres de mailles sont mesurées lors des différents essais mécaniques. Il apparaît qu'en déformation multiaxiale, les cristallites sont de même taille et ont les même paramètres de maille que celles nucléées en déformation uniaxiale, mais leur orientation varie fortement avec la multiaxialité de la déformation et n'est pas influencée par le chemin de déformation. Enfin, on montre qu'en fatigue uniaxiale, les caractéristiques des cristallites évoluent avec le nombre de cycles, différemment en fonction des extensions minimales et maximales imposées à chaque cycle.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal