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

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.

Les glaces de paroi résultent du gel progressif des eaux de ruissellement sur une falaise. Dans le nord de la Gaspésie (Québec, Canada), soixante de ces glaces, parfois volumineuses (> 3000 m3), ont été localisées près des routes. Entre 2000 et 2012, le Ministère des Transports du Québec (M.T.Q.) a effectué 440 interventions pour déblayer les blocs de glace tombés sur la chaussée. Une meilleure compréhension des mécanismes de croissance, de fonte et d’écroulement des glaces de paroi est nécessaire pour améliorer la gestion du risque. Des échantillons de glace ont été prélevés et leur microstructure analysée par tomodensitométrie et polarisation croisée. L’évolution volumétrique de quatre glaces de paroi a été modélisée à l’aide de différents modèles thermodynamiques et validée à partir de mesures du volume de glace effectuées au LiDAR. Une méthode de prévision des chutes de blocs de glace a été développée en comparant les dates des interventions du M.T.Q. avec les données météorologiques d’Environnement Canada. Les résultats ont permis de décrire les mécanismes de croissance des quatre types de glace constituant les glaces de paroi. Les modèles ont permis de démontrer que le gel de l’eau suite au transfert de chaleur par convection de l’air est le principal responsable de leur croissance. La fonte des cascades de glace, issues du gel des eaux d’une chute, est principalement initiée par l’augmentation du débit. Celle des carapaces de glace, issues du gel d’une résurgence, est plutôt le résultat de la convection de l’air et du bilan radiatif. Le calcul des degrés-heures de gel (ou de fonte), s’est avéré efficace pour modéliser l’évolution des carapaces de glace d’orientation nord. L’ajout du bilan radiatif à ce modèle a amélioré ses performances et permis une modélisation convenable de celle exposée au sud. Enfin, les effets des variables météorologiques sur l’occurrence des chutes de blocs de glace ont été simulés à l’aide de modèles logistiques. Le calcul des degrés-jours de fonte et le suivi du meilleur modèle statistique permettent de prédire l’écroulement de certaines glaces de paroi à quelques jours près. C’est une étape importante vers une gestion plus efficace de l’aléa. / The growth of rockwall icings result from the gradual freezing of runoff on a cliff. In northern Gaspésie (Québec, Canada), sixty of these sometimes voluminous ice formations (over 3000 m3) were located near roads. Between 2000 and 2012, 440 interventions to remove ice blocks from the road were conducted by the “Ministère des Transports du Québec” (M.T.Q.). A better understanding of the growth, melt and collapse dynamics of rockwall icings is needed to improve the management of this natural hazard. Ice samples were collected and their microstructure analyzed by computed tomography and under cross polarized light. The ice volume evolution of four rockwall icings was studied using various thermodynamic models and validated from ice volume measurements made with LiDAR imaging. An ice blocks fall forecasting method was developed by comparing the timing of M.T.Q. interventions with meteorological data. The results were used to describe the growth mechanisms of four different types of ice formation found on rockwalls. The models showed that freezing of the water to cold air convection is the main process responsible for their growth. In spring, the melting rate of the ice cascade or frozen waterfall clearly depends on the sensible heat carried by the increasing water flow. The melting of the ice walls formed from the freezing of seeping water coming from underground water resurgences rather is the result of air convection and the radiation heat budget (Qrad). A simple model based on the calculation of the freezing, or melting, degree-hours was also effective for simulating the evolution of the north facing ice walls. Including Qrad to this model improved its performance and allowed accurate modeling of the south facing ice wall. Finally, the effects of meteorological variables on the occurrence of ice blocks falls were simulated using logistic models. By following the trends of the melting degree-days and the best statistical model, it is possible to forecast the collapse of some of the most problematic rockwall icings and target the most hazardous periods along northern Gaspésie roads. This study is an important step towards a more effective management of this natural hazard.

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

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

Les systèmes de biorétention sont de plus en plus utilisés pour gérer le ruissellement des eaux pluviales urbaines. Bien que les plantes soient une composante essentielle des biorétentions, il existe à ce jour peu de preuves de la contribution des espèces choisies, en particulier dans les climats tempérés à grande variation saisonnière. Aussi, les bactéries et les champignons peuvent jouer un rôle majeur dans la performance des biorétentions en améliorant la qualité de l'eau ou en soutenant l'efficacité des plantes. Mais à ce jour, on sait peu de choses sur les microorganismes peuplant les biorétentions et encore moins sur l'influence des choix de conception de ce système et ses conséquences sur la contribution de ces organismes. D’autre part, en climat froid, l'utilisation de sels de déglaçage génère des ruissellements salins qui pourraient affecter les performances des biorétentions, notamment en impactant les processus biologiques en cours dans le système. Le but de mon étude était de comparer la contribution de la végétation à la performance des biorétentions en fonction de l'espèce plantée, de tester l'impact du ruissellement salin sur l'hydrologie et la filtration des contaminants par le système en fonction des espèces végétales utilisées, et de caractériser l'influence de ces 2 facteurs sur la diversité, la composition et l'abondance relative des bactéries et champignons au sein des biorétentions. J’ai réalisé une expérience en mésocosmes avec 4 espèces végétales couramment utilisées en biorétention et couvrant un large éventail de types biologiques (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). Pour simuler un ruissellement printanier chargé en sel de déglaçage, l'eau de ruissellement semi-synthétique utilisée pour l'irrigation à était complétée au printemps avec quatre concentrations de NaCl (0, 250, 1000 ou 4000 mg Cl/L). Le séquençage des gènes 16S et ITS ont été utilisé comme indicateur de diversité, de composition et d'abondance relative bactérienne et fongique. En général, tous les mésocosmes de biorétention ont significativement réduit les volumes d'eau, les débits de pointe et les charges de contaminants. Certaines plantes améliorent significativement les performances en augmentant la perte d'eau par évapotranspiration pendant la période de croissance (jusqu'à 2,5 fois) et en réduisant le débit d'eau (jusqu'à 2,7 fois). Les plantes ont amélioré l’enlèvement des macronutriments, avec un enlèvement massique moyen de 55 % pour l’Azote total, 81 % pour le Phosphore total et 61 % pour le K, contre -6 % (relargage), 61 % et 22 % respectivement pour les non plantés. À l'exception des Sesleria, l’enlèvement des éléments traces par les mésocosmes plantés était généralement plus élevée que chez les non plantés (jusqu'à 8,7 %). Leur niveau de contribution suivait le même ordre que leur taux d'évapotranspiration et leur taille globale (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Même à la concentration la plus élevée de NaCl testée, aucun effet sur la réduction du volume d'eau et les débits n'a été détecté. En revanche, le ruissellement chargé en sel a temporairement augmenté l’enlèvement de certains métaux tels que Cr, Ni, Pb et Zn. Dans l’ensemble, les plantes ont très bien toléré le passage du ruissellement chargé de sel au printemps. Tous les mésocosmes ont naturellement été colonisés par des bactéries et des champignons adaptés à un environnement humide et contaminé. Parmi les taxons dominants, plusieurs ont des fonctions en lien avec la performance des biorétentions, telles que l'implication dans le cycle de l'azote, la dégradation des hydrocarbures, la tolérance et la remédiation de métaux, ou des symbiotes végétaux. Ma thèse souligne l'importance du choix des espèces végétales sur la performance des biorétentions. D’une part en raison de leur contribution différentielle à la réduction du volume d'eau, des débits de pointe et l'enlèvement des contaminants, en particulier des macronutriments, et d’autre part à cause de leur influence sur la composition et l’abondance des microorganismes. Même si plusieurs des bactéries et champignons dominants ce système auraient la capacité de contribuer à la performance des biorétentions, d’autres études devront être menées pour vérifier leur activité. Finalement, ma thèse a démontré que la présence de sel de déverglaçage dans le ruissellement ne devrait pas être un frein à la mise en place de cellules de biorétention, puisque qu'aux concentrations habituellement observées à la suite d’épandages, aucun effet négatif sur la performance, la végétation ou les communautés bactérienne et fongique n’a été observé dans la présente thèse. Cependant, la libération des cations structurants du sol et l’exfiltration du sels devrait être faire l’objet d’un suivi à plus long terme. Bien que ces expériences aient permis d'analyser l'effet des espèces végétales et des sels de déverglaçage sur la réduction du volume d'eau, des débits de pointe, l’enlèvement des contaminants, et les micro-organismes, l'extrapolation de ces résultats à grande échelle doit être effectuée avec prudence. En effet, les mésocosmes sont des systèmes artificiels qui ne reproduisent pas entièrement les conditions réelles des biorétentions à grande échelle, notamment en ce qui concerne les températures hivernales inférieures à zéro, et ne sont étudiés qu’un lapse de temps. Aussi, les biorétentions réelles sont rarement plantées en monoculture, de sorte que les interactions entre les espèces végétales et les microorganismes pourraient influencer la performance du système. Pour une application réussie des conclusions de cette étude à l'échelle pratique, il serait essentiel que des projets pilotes valident ces résultats. / Bioretention systems are increasingly used to manage urban stormwater runoff. Plants are an essential component of bioretention, improving water quality and reducing runoff volume and peak flows. Although plants are an essential component of bioretentions, there is little evidence on how their contribution changes according to the species chosen, especially in temperate climates with large seasonal variations. In addition, bacteria and fungi could play a major role in bioretention performance by improving water quality or supporting plant efficiency. But to date, little is known about the microorganisms living in bioretentions and even less about the influence of the design choices of this system and therefore its consequences on the contribution of these organisms. In cold climates, the use of de-icing salts generates saline runoff which could affect the bioretentions performance, especially by reducing biological processes. The aim of my study was to compare the contribution of vegetation to the performance of bioretentions according to the species planted, to test the impact of saline runoff on the hydrology and the filtration of contaminants by the system according to the plant species used, and to characterize the influence of these 2 factors on the diversity, composition and relative abundance of bacteria and fungi within bioretentions. I performed a mesocosm experiment with 4 plant species commonly used in bioretention and covering a wide range of biological types (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). To simulate spring salt-laden runoffs, the semi-synthetic runoff water used for irrigation was supplemented in spring with four concentrations of NaCl (0, 250, 1000 or 4000 mg Cl/L). Sequencing of 16S and ITS genes was used as bacterial and fungal diversity, composition and relative abondance indicator. In general, all bioretention mesocosms significantly reduced water volumes, peak flows, and contaminant loads. Some plants significantly increased the performances, by increasing water loss through evapotranspiration during the growing period (up to 2.5 times) and reducing water flow (up to 2.7 times). Plants improved macronutrients removal, with an average mass removal of 55% for total nitrogen, 81% for total phosphorus and 61% for K compared to –6% (release), 61% and 22% respectively for the unplanted. Except for Sesleria, mass removal of trace elements in planted mesocosms was generally higher than in unplanted ones (up to 8.7%). Their contribution level followed the same order as their evapotranspiration rate and overall size (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Even at the highest concentration of NaCl tested, no impact on water volume reduction and flow rates were detected. In contrast, salt-laden runoffs temporarily increased removal of some metals such as Cr, Ni, Pb, and Zn. Overall, the plants tolerated the passage of salt runoff in spring. All bioretention mesocosms were naturally colonized by bacteria and fungi adapted to a humid and contaminated environment. Among the dominant taxa, several described functions related to the bioretention performances, such as involvement in the nitrogen cycle, the degradation of hydrocarbons, the tolerance and remediation of metals, or plant symbionts. My thesis emphasizes the importance of the plant species choice on the bioretentions performance. firstly because of their differential contribution to the water volume reduction, peak flows, and the contaminants removal, in particular macronutrients, secondly through their influence on the composition and abundance of microorganisms. Even though several of the dominant bacteria and fungi found would have the ability to contribute to the performance of bioretentions, further studies will be needed to verify their activity. Finally, my thesis demonstrated that the presence of de-icing salt in the runoff should not be a hindrance to the bioretention cells implementation, since at concentrations usually observed following salt spreading, no negative effect on the bioretentions performance, on the vegetation or the bacterial and fungal communities were observed in this thesis. However, the release of soil-structuring cations as well as salts exfiltration should be monitored in the longer term. Although these experiments allowed for the analysis of the effect of plant species and de-icing salts on the reduction of water volume, peak flow rates, contaminant removal, and microorganisms, the extrapolation of these results to a larger scale must be done with caution. Despite the advantage of characterizing the performance of bioretention in mesocosms in terms of replication and factor control, it is important to recognize that this approach also has its limitations. Mesocosms are artificial systems that do not fully replicate the real-world conditions of large-scale bioretention, especially concerning sub-zero winter temperatures and the limited time frame of study. The size of the mesocosms could lead to edge effects, such as preferential flows, while real-world scenarios involve slopes that create heterogeneous conditions within these basins, influencing factors like frequency and quantity of water received. Additionally, real bioretention systems are seldom planted as monocultures, thus interactions between plant species and microorganisms may impact system performance. For successful implementation of the findings of this study on a practical scale, validation through pilot projects would be essential.