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.

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.

En période hivernale, des fondants routiers sont épandus sur les chaussées afin de préserver la sécurité des usagers. Sous l'influence de divers paramètres, ces produits se retrouvent en partie dans l'environnement, le reste étant collecté par des systèmes de rétention des eaux de ruissellement routières. Or, les bassins de rétention ne sont pas conçus pour traiter ces fondants, et jouent uniquement un rôle de régulation des flux rejetés dans l’environnement. L’effet du NaCl sur l’environnement est néfaste, en raison de sa toxicité directe envers certains organismes et, indirectement parce qu’il contribue à augmenter la mobilité des ETM (Éléments Traces Métalliques), eux-mêmes toxiques. Ceci démontre un besoin d'assainissement particulier pour ces produits. L'objectif de cette thèse est d'étudier les transferts de NaCl par un bassin de rétention, mais également d'investiguer la possibilité d'utiliser la phytoremédiation comme base d'une solution d'assainissement des eaux de ruissellement routières. Le bassin de rétention choisi comme modèle est un bassin récent situé à Chenevières (Lorraine, France), en bordure d’une route nationale. La première partie du travail a porté sur la mesure et la caractérisation des transferts de NaCl dans ce bassin. L’eau a été collectée en entrée/sortie chaque semaine pendant 3 ans, et les concentrations en NaCl et ETM mesurées. Les conditions météorologiques et les données d’épandage de sel ont été suivies pour évaluer la proportion de sel effectivement transférée vers le réseau de collecte des eaux de ruissellement routières. Les résultats montrent que 25 à 50 % du sel épandu est effectivement collecté. De plus, les résultats sur la dynamique du NaCl prouvent que le bassin joue uniquement un rôle de rétention temporaire et de dilution avant rejet vers l’environnement. Ensuite, des mesures et analyses des sédiments du bassin et des sols de bord de route ont été conduites pour caractériser la spéciation et la mobilité des ETM dans ce contexte routier particulier. Dans ce cas précis, le NaCl n’a pas eu d’effet significatif sur la mobilisation des ETM, hormis le zinc (Zn). En revanche, il a provoqué la mobilisation d’autres ions majeurs. Concernant le traitement, les procédés conventionnels de dessalement d’eau sont trop coûteux et inadaptés. C’est pourquoi les potentialités d’une solution d’assainissement par phytoremédiation ont été explorées. Trois plantes halophytes ont été sélectionnées selon des critères permettant leur utilisation en contexte routier, Armeria maritima, Atriplex halimus et Atriplex hortensis L. Des expériences de germination/croissance ont été effectuées dans différentes conditions de salinité et de concentration en Zn pour évaluer leur tolérance à la salinité, à la présence de Zn et leurs capacités d’accumulation. Ces plantes ont montré une tolérance au NaCl dans des conditions de salinité représentatives de celles mesurées dans les réseaux d’assainissement routiers à Chenevières. De plus, les trois espèces accumulent dans leurs parties aériennes des quantités significatives de NaCl, ainsi que du zinc. L'utilisation des halophytes pour la phytodésalinisation en domaine routier s'avère être une technologie prometteuse pour répondre à la problématique de l'impact environnemental des fondants routiers. / During winter, deicing salts are spread on roads in order to preserve road safety for users. Under the influence of different parameters, these compounds are partly transferred to the environment, the rest of it being collected by the road runoff retention systems. However, road runoff retention ponds have not been designed for deicing salt treatment; they only play a role in the regulation of fluxes before their rejection into the environment. Furthermore, NaCl has a harmful impact on the environment, because of its toxicity to certain aquatic organisms and because it contributes to the increase of trace metal (TM) mobility, which are toxic as well. This shows the need for a specific treatment for these compounds. The objective of this research is to bring better understanding of deicing salt dynamics in a retention pond, but also to investigate the potential use of phytoremediation as a treatment solution for road runoff. A model retention pond was selected; it is located along a highway in Chenevières (Lorraine region, France). The first part of the work focused on the monitoring and the characterization of NaCl transfers in this pond. Water was weekly sampled for 3 years at the pond input and output and NaCl and TM concentrations were measured. Meteorological conditions and salt spreading data were monitored to appraise the salt fraction actually collected by the pond. Results showed that only 25 to 50 % of the spread salt is effectively collected. Moreover, results on NaCl dynamics proved that the pond only plays a role on transient storage and salt dilution before rejection into the environment. Moreover, measurements and analyses of sampled basin sediments and roadside soils were performed to assess speciation and TM mobility in this particular context. In this case, no significant effect of NaCl was recorded except for zinc (Zn); but major ions were mobilized. When it comes to treatments, conventional desalination technologies are too expensive and inappropriate in this context. Then, potentialities of phytodesalination were explored. Three halophyte plants were selected on the basis of specific criteria, allowing their use in road runoff context: Armeria maritima, Atriplex halimus and Atriplex hortensis L. Germination and growth experiments were run in various salinity conditions and in the presence/absence of Zn, in order to assess their tolerance to salt and Zn, as well as their accumulation abilities. These plants showed a high tolerance for NaCl in salinities in the range of those encountered in road runoff existing treatment systems at Chenevières. The three species accumulated significant amounts of NaCl and zinc in their aerial parts. The use of halophytes for phytodesalination of road runoff is a promising technique to address the issue of environmental impact of deicing salts.