The rapid deterioration of the global environment forces people to increasingly take into consideration. Nowadays, concrete is the most extensively-used construction material in the world. Cement, the dominant material for manufacturing concrete, has been largely used in the past few decades. It has also been generally considered as an environmentally hazardous material, mainly due to CO2 emissions during the production process. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. Among these by-products, fly ash generated during combustion of coal has been successfully used in concrete for many years. Unlike traditional fly ash, a new type of ash may also be used. It is obtained by combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in a fluidized-bed system from Brompton Mill located near Sherbrooke, Canada. However, the properties and the applications of this new by-product are not well known. An investigation was carried out to characterize this new material and examine its performance as an alternative material in the production of concrete. Firstly, the chemical, physical, mineralogical, and morphological characteristics of WSA were analyzed and were compared with traditional ash. In addition, the rheological properties of pastes and mortars mixed with WSA were evaluated by tests such as the calorimeter, mini-slump, marsh cone, and compressive strength of mortar cubes. In addition, the optimum ratio of cement replaced by WSA was examined by the compressive strength of concrete at the age of 1, 7, 28 and 91 days. Herein, two different water-to-binder ratios are considered: 0.4 and 0.55. Finally, the comprehensive properties of WSA concrete applying to the optimum ratio was carried out in different aspects such as fresh, mechanical properties, volume-change, and durability.The results show that it is possible to use WSA as a new cementitious material in concrete. According to the experimental results, a high-range water-reducing agent was required, even at a higher water-to-binder ratio (WSA showed a high degree of water demand). It study also revealed that WSA concrete had low permeability, and resisted freezing and thawing compared to the control mixture. In addition, the high CaO content in WSA substantially increased the expansion of concrete, early in the process. This greatly compensated the autogenous shrinkage that was developed in concrete with a low water-to-binder ratio. However, WSA is not recommended for use in environments containing a high quantity of sulphate, because its higher lime phase may cause the damage to constructions.

L’industrie papetière est l’un des principaux moteurs économiques du Québec. A l’heure actuelle, la production de pâte et papier connait des difficultés liées à l’émergence des pays en voie de développement, de leurs faibles coûts de main d’oeuvre et du climat propice à la croissance rapide de biomasse. Elle se doit d’innover ou du moins de s’ouvrir à de nouvelles avenues et perspectives afin de rechercher d’autres sources de revenus. Ce projet s’intéresse à la valorisation des déchets produits par l’industrie de pâte et papier lors du processus de désencrage, et plus précisément à valoriser les fibres cellulosiques résiduelles. Comme son nom l’indique, le désencrage consiste à retirer l’encre du papier, approche reposant sur plusieurs opérations unitaires telles que le pulpage, le classage, l’épuration, la flottation, et le lavage. Lors des différentes opérations, de la matière cellulosique est perdue, ces fibres se retrouvent dans les boues de désencrage. Ces dernières sont composées à 25% massique de fibres organiques, en grande majorité cellulosiques, à 25% de carbonate de calcium et 50% d’humidité. La siccité est un point important à considérer lors de l’analyse économique. En effet, le transport de matériaux trop humides peut remettre en cause la rentabilité d’un procédé. Ces recherches ciblent la valorisation des fibres cellulosiques. La présence de carbonate de calcium en grande quantité dans les boues suggère l’utilisation d’une catalyse basique afin d’éviter les interférences. Contrairement à la dépolymérisation acide de la cellulose, la dépolymérisation en milieu basique n’a pas apporté des résultats aussi prometteurs et la conversion de la cellulose n’est pas complète. En effet, la structure cellulosique n’est que peu sensible à la catalyse basique et une partie de la cellulose demeure sous forme oligomérique après réaction. Les résultats ont démontré que la transformation de la cellulose avec un catalyseur basique nécessite une température au-delà de 200ºC afin d’obtenir une conversion significative. L’acide lactique (AL) est le produit final du procédé, il provient de la transformation de la cellulose en milieu basique. De plus, le marché de l’acide lactique est en pleine expansion, dû à l’essor des acides polylactiques ou en anglais« polylacticacid » (PLA) dont le potentiel en tant que polymère biodégradable suscite un grand intérêt industriel. L’acide lactique est également une molécule plateforme qui trouve des utilisations dans de nombreuses industries (pharmaceutique, adhésifs). Ce mémoire présente une revue complète des transformations de la cellulose vers l’acide lactique et en détaille les mécanismes réactionnels. Plusieurs réactions sont favorisées par un cation divalent ce qui influencera le choix du catalyseur. Les principales avancées sur la transformation de sucres (hexoses et trioses) vers l’acide lactique sont résumées. Premièrement l’étude modèle à partir du glucose, deuxièmement la réaction ayant pour substrat la cellulose et troisièmement l’application directement sur les boues issues du procédé de désencrage de la compagnie Cascades. Les résultats obtenus montrent que l’hydroxyde de calcium est un catalyseur sélectif pour le produit d’intérêt, après avoir obtenu des rendements de 50% et 25% respectivement avec le glucose et la cellulose. Le catalyseur a été utilisé sur les boues de désencrage. Les rendements obtenus sont similaire à ceux avec la cellulose, démontrant que l’effet de la matrice des boues de désencrage (sels, métaux lourds) n’est que minime sur la réaction avec le catalyseur choisi. Le modèle d’une unité de purification par distillation a été mise en place.

An experimental cell was built over the Saint-Tite-des-Caps landfill in order to evaluate the efficiency of a cover with capillary barrier effect (CCBE). The latter is composed of a layer of deinking by-products (DBP) installed over a capillary barrier, which is in turn composed of a layer of coarse sand over a layer of gravel. In order to monitor the performance of this system, lysimeters, tensiometers, water content probes, settlement plates and weather station were installed. Design parameters were selected in such a way that the diversion length (DL) would be attained right before the length of the CCBE (30 m). As for the design of the cell itself, the design of the lysimeters also depended on the unsaturated properties of the materials employed, in particular their hydraulic conductivity functions. The lysimeters were designed in order to remain functional at least during the study period. The water retention curves (WRC) of the materials composing the CCBE were determined in the laboratory. These results allowed obtaining the hydraulic conductivity functions (k-fct), which is the principal element, as far as optimisation of the design of the CCBE and of the lysimeters are concerned. Using the k-fcts, it is possible to evaluate the theoretical DL. Numerical simulations showed that the DL can be significantly altered by slight changes in the parameters used to describe the WRC and the k-fcts. For each material, the WRC was determined using various experimental methods; and they all gave slightly different parameters. This caused the significant variation in the DL. The DL determined based on field data allowed for the selection of the most representative WRC. Analysis of field data, made it possible to show the change in saturated hydraulic conductivity, ksat, of DBP decreased by nearly one order of magnitude, which affected its WRC and k-fct. Field monitoring also shows that the hydraulic barrier remains saturated and that the volume of water reaching the sand/gravel capillary barrier increased progressively, as one moves downslope. Data from the four tensiometers, placed along the sand/gravel interface, and the measured infiltration rates in the 3 lysimeters installed in the gravel layer show that the DL varied between 24 m and 29 m during the 2006 monitoring period. During some short periods in 2007, the DL was greater than the 30 m of the cell. The infiltration rate into the gravel layer at the toe of the slope was continuously lower than 3,0 x 10-9 m/s, i.e. lower than the more stringent standards of low permeability cover design (Règlement québécois sur l'enfouissement et l'incinération des matières résiduelles ). In order to quantify the amount of infiltrating water trough DBP and sand layers, several simulations were performed using by Visual HELP software. Infiltrations rates obtained thereof were used as boundary conditions in steady state simulations of the response of the capillary barrier system. Software SEEP/W and Hydrus were used in these simulations and allowed to check the exactness of the initial design hypotheses and assumptions. As the measured DL is somehow similar to the simulated DL, it was concluded that the design methodology was appropriate. The simulations results also show that much greater DL can be attained using such an alternative cover system, depending on the hydraulic properties of the materials.

Le développement durable et les conceptions plus écologiques sont devenus très présents dans le monde du génie civil. Cependant, un des matériaux de construction les plus utilisés figure parmi les plus polluants. En effet, la production du ciment, l'ingrédient clé du béton, est responsable d'une quantité importante d'émission de CO[indice inférieur 2]. Une solution est de remplacer une partie du ciment par des ajouts cimentaires provenant de sous-produits industriels, comme les cendres volantes provenant de la combustion du charbon. Au Québec, ce type d'ajout cimentaire n'est pas disponible localement. Une autre avenue est cependant possible, avec la combustion de biomasse sur un lit fluidisé. L'usine de pâtes et papiers Kruger, à Bromptonville, Québec, a récemment construit une usine de cogénération afin de valoriser ses boues de désencrage, ses boues primaires et secondaires et ses résidus de bois. À différents moments de la production, l'usine a produit six différentes cendres. Les températures de combustion ainsi que la provenance et les dosages en matières combustibles ont varié et produit des cendres ayant différentes propriétés dans les bétons. La présente recherche a tenté d'étudier et de comprendre la variation des propriétés sur bétons des différentes cendres pour ainsi faire un choix optimal selon les matières premières et les températures de combustion. Deux rapports E/L ont été testés : 0,55 et 0,4. Un taux de remplacement du ciment par les cendres de 20 % a été choisi à chaque fois. Les résultats montrent que les cendres demandent une plus grande quantité de superplastifiant, qui semble être reliée à la quantité de particules inférieures à 3 [micro]m. Des bétons formulés avec certaines cendres ont des résistances mécaniques très près ou supérieures au témoin dès 1 jour, tandis que d'autres ont de plus faibles propriétés mécaniques. La quantité de chaux libre présente dans les cendres semble avoir un effet bénéfique sur les résistances. Les perméabilités aux ions chlore à 28 jours sont souvent plus élevées que le témoin, mais se rapprochent ou sont plus faibles dans certains cas à 91 jours. Il est à noter que du gonflement et des microfissures apparaissent avec certaines cendres. Étonnamment, les cendres contenant le plus de chaux libre sont celles montrant le moins de gonflement.Le projet a aussi tenté d'étudier la compatibilité avec quatre superplastifiants de type polycarboxylate. Deux des six cendres ont été sélectionnées pour faire des bétons de rapport E/L de 0,4, toujours avec un taux de remplacement de 20 %. Parmi les quatre superplastifiants étudiés, seul le Glenium 7102 montrait une bonne rétention de l'affaissement avec les deux cendres.Le Viscocrete 2100 et le Adva 405 semblaient accentuer les gonflements et les microfissures observés précédemment. Finalement, des mélanges ternaires de rapport E/L de 0,4 ont été faits afin de tenter de diminuer la variabilité des performances entre les cendres. Des combinaisons ont été faites avec du métakaolin, du laitier, de la fumée de silice et une cendre volante normalisée de classe F. Il a été possible de conclure qu'une combinaison entre les cendres de Kruger et une cendre normalisée de classe F donne les mélanges les plus robustes.

Résumé non communiqué par le doctorant. / Résumé non communiqué par le doctorant.

Les objectifs de ce travail étaient de déterminer les sources et le devenir de l’arsenic dans une papeterie vosgienne, et en particulier dans sa station d’épuration, afin de comprendre les variations de la concentration en arsenic dans l’effluent traité par la station et rejeté dans la Moselle.Les papiers récupérés utilisés pour la production de pâte désencrée représentent la source majoritaire d’arsenic pour la papeterie, puis les combustibles incinérés dans le secteur énergie. Les sorties majoritaires sont les cendres produites par le secteur énergie, puis le papier produit. Le devenir de l’arsenic dans le procédé de désencrage est complexe et implique des phénomènes de transfert entre le circuit de la pâte à papier et le circuit des eaux. L’arsenic présent dans les eaux blanches semble provenir des matières en suspension. Des dysfonctionnements dans le secteur énergie ont causé le départ de cendres produites dans la chaudière à la station d’épuration via les eaux de lavage du laveur de fumées. Ces cendres peuvent avoir une concentration en arsenic très importante et pourraient être l’une des causes des dépassements de la limite de rejet en arsenic. La station d’épuration peut éliminer de la phase aqueuse jusqu’à 50 % de l’arsenic entrant à la station après neutralisation/décantation et traitement par boues activées. Un traitement tertiaire par coagulation (par des sels d’aluminium) / floculation / flottation permet de diminuer encore la concentration en arsenic dans le rejet en fonction des conditions de fonctionnement / This study was about the sources and the fate of arsenic in a pulp and paper mill located in the Vosges, and particularly in the wastewater treatment plant, in order to understand the variations of the arsenic concentration in the treated effluent discharged in the Moselle River.The recovered papers used for the production of deinked pulp are the main source of arsenic for the pulp and paper mill, followed by the solid fuels incinerated in the boiler of the energy area of the mill. The main outputs are the ashes produced by the boiler, then the produced paper. The fate of the arsenic in the deinking process is complex and involves transfer phenomena between the pulp and the white water of the process. Arsenic present in white water could come from the suspended solids. Malfunctions in the energy area have caused the departure of ashes to the wastewater treatment plant via the washing water of the flue gas washer. Those ashes may contain a high arsenic concentration and could be one of the sources of the large variations of the arsenic concentration in the effluent of the wastewater treatment plant. This wastewater treatment plant is able to eliminate up to 50% of arsenic of the effluent thanks to neutralization/decantation and biotreatment by activated sludge. A tertiary treatment by coagulation (with aluminum salts) / flocculation / flotation permits to decrease the arsenic concentration in the effluent according to the operating conditions

Dans une rotation soya maïs-grain, les résidus de désencrage (RDD) ont montré un effet répressif des adventices dicotylédones annuelles. Les causes de cette répression demeurent inconnues. Ainsi, le premier objectif de cette thèse était de contribuer à les élucider. L'impact des RDD sur le carbone (C), l'azote (N), le rapport C:N, le nitrate, l'ammonium et les composés phénoliques du sol a été étudié. La phytotoxicité des solutions simulant les composés phénoliques des RDD frais et du sol amendé a été investiguée. Suite à l'application des RDD, le carbone total et le rapport C:N ont augmenté, alors que la teneur du sol en nitrate a diminué. Douze composés phénoliques ont été quantifiés dans les RDD. Suite à l'application des RDD, la vanilline et l'acide 3-hydroxy-4-methoxycinnamic ont augmenté dans le sol. Cependant, leurs concentrations sont demeurées sous le seuil de sensibilité des espèces végétales étudiées. Les résultats de cette étude montrent que l'immobilisation du nitrate est en cause pour expliquer la diminution de l'établissement de certaines espèces végétales. Cependant, l'impact des composés phénoliques des RDD, sur les plantes, n'est pas à exclure. Ces molécules sont connues pour leur implication dans l'inhibition de la nitrification et la séquestration du nitrate dans la matière organique. Le deuxième objectif de cette thèse était d'évaluer les paramètres de qualité et le rendement du soya et du maïs, cultivés en rotation de courte durée, sous trois doses des RDD combinées à trois stratégies de désherbage et trois doses d'azote appliquées au maïs. Pour le soya, le rendement en grain a pu augmenter, rester inchangé ou diminué, en fonction de la dose de RDD, de l'absence ou de la présence des mauvaises herbes, de l'année de la rotation et de l'effet résiduel de l'azote appliqué au maïs. Basé sur les signatures isotopiques 813C et ô15N du grain, les RDD auraient empêché la diminution du rendement lors des saisons sèches et ils auraient favorisé la fixation du N2. Chez le maïs, le rendement en grains a augmenté avec l'augmentation de la fertilisation azotée et il a diminué avec l'augmentation du taux des RDD appliqué, alors que les herbicides ont pu augmenter le rendement. Cette étude confirme la possibilité d'intégrer les RDD dans une stratégie de lutte aux mauvaises herbes dans la rotation soya-maïs. En revanche, d'autres recherches sont nécessaires afin d'optimiser les doses d'herbicides. Il serait aussi pertinent de déterminer les effets bénéfiques des RDD sur les écosystèmes aquatiques limitrophes aux zones agricoles.

L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton. / Abstract : Cement manufacturing industry is one of the carbon dioxide emitting sources. The global cement industry contributes about 7% of greenhouse gas emission to the earth’s atmosphere. In order to address environmental effects associated with cement manufacturing and constantly depleting natural resources, there is necessity to develop alternative binders to make sustainable concrete. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. The performance of a cement additive depends on kinetics hydration and synergy between additions and Portland cement. In this project, two industrial by-products are investigated as alternative supplementary cementitious materials (ASCMs), non-toxic amorphous silica residue (AmSR) and wastepaper sludge ash (WSA). AmSR is by-product of production of magnesium from Alliance Magnesium near of Asbestos and Thetford Mines Cities, and wastepaper sludge ash is by-product of combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in fluidized-bed system from Brompton mill located near Sherbrooke, Quebec, Canada. The AmSR is new industrial by-products. Recently, wastepaper sludge ash has been used as cementitious materials. Utilization of these ashes as cementitious material in concrete manufacturing leads to reduce the mechanical properties of concretes. These problems are caused by disruptive hydration products of biomass fly ash once these ashes partially blended with cement in concrete manufacturing. The pre-wetting process of WSA before concrete manufacturing reduced disruptive hydration products and consequently improved concrete mechanical properties. Approaches for investigation of WSA in this project consist on characterizing regular and pre-wetted WSA, the effect of regular and pre-wetted WSA on performance of mortar and concrete. The high content of amorphous silica in AmSR is excellent potential as cementitious material in concrete. In this project, evaluation of AmSR as cementitious materials consists of three steps. Characterizing and determining physical, chemical and mineralogical properties of AmSR. Then, effect of different rates of replacement of cement by AmSR in mortar. Finally, study of effect of AmSR as partial replacement of cement in different concrete types with binary and ternary binder combinations. This study revealed that high performance concrete (HPC) incorporating AmSR showed similar mechanical properties and durability, compared to control mixture. AmSR improved mechanical properties and durability of ordinary concrete. Self-consolidating (SCC) concrete incorporating AmSR was stable, homogenous and showed good mechanical properties and durability. AmSR had good synergy in ternary binder combination with other supplementary cementitious materials (SCMs). This study showed AmSR can be use as new cementitious materials in concrete.