L'utilisation des ajouts minéraux connaît un essor de plus en plus considérable à la fois en raison des considérations économiques mais encore plus en raison de la prise de conscience des aspects environnementaux et de la philosophie de développement durable qui s'introduit dans les activités de Génie Civil. Le développement de matériaux cimentaires alternatifs locaux se révèle également important. Le verre mixte mis en décharge accentue les problèmes environnementaux par la pollution et le gaspillage d'espace pouvant servir à des fins plus utiles. L'objectif premier de ce travail est de valoriser ce verre mixte en explorant son emploi comme matériau cimentaire alternatif. Différents taux de substitution de deux poudres du verre broyé et de poussière générée par le concassage du verre ayant de finesses égales ou légèrement inférieures à celle du ciment Portland type GU sont incorporés dans les coulis, mortiers et bétons. Trois différentes catégories de bétons ont été étudiées dans ce projet, à savoir les bétons conventionnels, les bétons à haute performance et les bétons autoplaçants. Les études sur les coulis ont permis d'évaluer leur demande en eau et en adjuvants chimiques en présence de la poudre de verre. Les essais sur mortiers ont permis d'examiner l'activité pouzzolanique des poudres ainsi que leur performance dans le contrôle de la réaction alcalis-granulats (RAG). Les effets de la poudre de verre sur les propriétés à l'état frais des bétons et leur performance dans le béton à l'état durci sont évalués. Les résultats de nos études permettent de retenir que : (1) La poudre de verre, de finesse similaire à celle de ciment, améliore l'ouvrabilité et son maintien dans le temps pour les systèmes cimentaires binaires étudiés. La demande en superplastifiant des systèmes cimentaires binaires est inférieure à celle du témoin; (2) La poudre de verre broyé recèle un potentiel pouzzolanique intéressant; (3) La poudre réduit l'expansion due à la RAG tant dans les mortiers que dans les bétons; (4) Dans les bétons avec E/L = 0,40, la poudre de verre réduit la demande en superplastifiant mais augmente le dosage en agent entraîneur d'air (AEA); (5) La poudre a une réactivité lente occasionnant de faibles résistances à jeune âge; (6) Les bétons contenant la poudre de verre résistent au gel-dégel et s'écaillent moins; (7) La poudre améliore la durabilité des bétons par réduction de leur pénétrabilité ; (8) La poudre peut remplacer jusqu'à 30% du ciment dans le béton.

Les normes en vigueur de la caractérisation environnementale des déchets s'appuient sur l'analyse de granulats ou réduits en poudre. La modification de propriétés du matériau risque de fausser le relargage d'éléments polluants. L'objectif principal de ce travail de thèse est de mettre au point une méthodologie de lixiviation sur matériau monolithique.Des formulations cimentaires de type mortier ou sous-couche routière incorporant des sédiments traités par le procédé NOVOSOL® (STN) ont été réalisées. Leur caractérisation montre l'augmentation de la porosité et la surface lors de l'ajout de STN. Les caractéristiques mécaniques sont proches de celles des matériaux de type routier.Une longue phase de mise au point a permis de concevoir la cellule d'essai et le protocole permettant de tester des matériaux monolithiques en percolation à débit contrôlé. Un protocole de traçage couplé à une modélisation par un logiciel de transport permet de déterminer les caractéristiques hydrodynamiques des matériaux durant percolation.Les résultats d'essais mettent en évidence la bonne stabilité des métaux lourds contenus dans les STN comparés aux métaux apportés par le liant cimentaire. Ainsi, pour certains métaux, l'introduction de STN tend à diminuer les quantités relarguées, pour d'autres la teneur en polluant des percolats soit stable, soit en augmentation. Même si la complexité des phénomènes mis en jeu nous amène à considérer les données avec précaution, certains résultats tendent à montrer l'existence d'un lien entre surface de contact et relargage. La comparaison des résultats obtenus en laboratoire et des mesures réalisés in situ atteste de la représentativité du test mis au point

Les normes en vigueur de la caractérisation environnementale des déchets s’appuient sur l’analyse de granulats ou réduits en poudre. La modification de propriétés du matériau risque de fausser le relargage d’éléments polluants. L’objectif principal de ce travail de thèse est de mettre au point une méthodologie de lixiviation sur matériau monolithique.Des formulations cimentaires de type mortier ou sous-couche routière incorporant des sédiments traités par le procédé NOVOSOL® (STN) ont été réalisées. Leur caractérisation montre l’augmentation de la porosité et la surface lors de l’ajout de STN. Les caractéristiques mécaniques sont proches de celles des matériaux de type routier.Une longue phase de mise au point a permis de concevoir la cellule d’essai et le protocole permettant de tester des matériaux monolithiques en percolation à débit contrôlé. Un protocole de traçage couplé à une modélisation par un logiciel de transport permet de déterminer les caractéristiques hydrodynamiques des matériaux durant percolation.Les résultats d'essais mettent en évidence la bonne stabilité des métaux lourds contenus dans les STN comparés aux métaux apportés par le liant cimentaire. Ainsi, pour certains métaux, l’introduction de STN tend à diminuer les quantités relarguées, pour d’autres la teneur en polluant des percolats soit stable, soit en augmentation. Même si la complexité des phénomènes mis en jeu nous amène à considérer les données avec précaution, certains résultats tendent à montrer l’existence d’un lien entre surface de contact et relargage. La comparaison des résultats obtenus en laboratoire et des mesures réalisés in situ atteste de la représentativité du test mis au point / The standards of environmental characterisation of wastes recommend the sieving of granular material or the crushing of monolithic material to match a required granulometry. The modification of material characteristics is likely to distort the release of pollutants. The main objective of this thesis is to develop a methodology to test monolithic material by percolation.Various mortar-type and/or under-layer road-type materials incorporating sediment treated by the process NOVOSOL® (STN) designed by the Solvay company have been designed. Their characterization has highlighted the increase of porosity, the decrease of bulk density and the increase of specific area with the addition of STN. The mechanical properties are close to those expected for road type materials.The use of a reference material has allowed designing the test cell and the protocol for testing monolithic materials in percolation with a controlled rate of flow. A breakthrough protocol using an inert salt coupled with a transport modelling software has also been defined, to determine the hydrodynamic characteristics of materials during the percolation.The results of tests showed a good stability of heavy metals contained in the STN compared to metals carried by the cement binder. Thus, for some metals, the introduction of STN tends to reduce the leached quantities, for others, the content of pollutant of leachates either stable or increasing. Despite the complexity of the involved phenomena, some results tend to prove the relation between specific area and heavy metals leaching. Comparison of laboratory results and measurements made in situ demonstrates the representativeness of the test developed

Résumé : Des études récentes menées à l'Université de Sherbrooke ont montré que la poudre de verre possède des propriétés pouzzolaniques très intéressantes et peut être utilisée comme ajout cimentaire alternatif. Les premiers résultats de ces études ont révélé que la poudre de verre performe mieux dans des bétons de rapports E/L élevés comparativement à ceux de rapports E/L faibles. En effet, lorsqu’un même taux de poudre de verre est incorporé dans des bétons de rapports E/L différents, notamment E/L = 0,55 et E/L = 0,40 avec des dosages en liant respectifs de 350 kg/m3 et de 400 kg/m3; une pénétrabilité des ions chlorure similaire dans les deux cas est observée suggérant une bonne durabilité de ce type de béton même à des rapports E/L élevés. Les objectifs visés dans ce projet qui porte sur l’étude de la durabilité en milieux agressifs des bétons incorporant la poudre de verre sont (1) la consolidation de la tendance révélée par la poudre de verre dans les deux types de bétons en élargissant le rapport E/L tout en incluant d’autres ajouts minéraux classiques pour fin de comparaison de leurs effets; (2) la mise en évidence de l'efficacité de la faible pénétrabilité des ions chlorure des bétons malgré leurs rapports E/L élevés, vis-à-vis de la résistance à certains phénomènes de dégradation ou agents extérieurs potentiellement agressifs tels que les sulfates, les chlorures, la carbonatation ou la corrosion. Cette étude s’intéresse également à la caractérisation mécanique et microstructurale permettant de comprendre et d'élucider les mécanismes d'action de la poudre de verre afin de cerner davantage son comportement dans les matrices cimentaires. Pour cela, plusieurs rapports E/L variant de 0,35 à 0,65 (0,35 ≤ E/L ≤ 0,65) ont d’abord été considérés pour formuler une première série de bétons ayant différents dosages en eau. Les résultats de la résistance en compression, de la pénétrabilité des ions chlorure et de la perméabilité à l’eau obtenus de ces investigations sont en parfait accord avec la tendance initialement observée pour les deux rapports E/L = 0,55 et 0,40. Par la suite, trois (3) rapports E/L de 0,55, 0,45 et 0,40 ont été sélectionnés pour reproduire une seconde série de bétons pour les études des propriétés de transports des bétons et des essais de vieillissement accélérés tels que la carbonatation et la corrosion. Tandis que la résistance aux sulfates a été évaluée sur des échantillons de mortiers. Les principaux résultats montrent une légère augmentation de la porosité totale et de la perméabilité au gaz des bétons en présence de la poudre de verre ou de la cendre volante de classe F. Cependant, la perméabilité à l’eau et les autres propriétés de transport impliquant les ions chlorure se trouvent considérablement réduites en présence de la poudre de verre ou des autres ajouts classiques. L'efficacité de la faible pénétrabilité des bétons en présence de la poudre de verre quel que soit le rapport E/L, est bien mise en évidence vis-à-vis de l'initiation à la corrosion induite par les chlorures mais l’est relativement peu sur l'évolution du front de carbonatation initiale accélérée. Par ailleurs, tout comme la cendre volante et contrairement au laitier, les bétons incorporant la poudre de verre développent lentement des résistances à la compression à jeune âge. Toutefois, une combinaison de la poudre de verre avec du métakaolin présente de très bonnes synergies et permet de pallier le déficit de résistance à jeune âge de ce type de béton. Il ressort de cette étude que les effets de la poudre de verre sur les propriétés du béton, s’apparentent essentiellement à ceux de la cendre volante de classe F. Globalement les résultats de cette étude mettent en exergue la contribution substantielle de la poudre de verre à l’amélioration de la résistance des bétons aux attaques extérieures étudiées et supportent son emploi dans les matériaux de construction. // Abstract : Recent research conducted at the Université de Sherbrooke showed that glass powder has very interesting pozzolanic properties and can thus be used as an alternative cementitious material. These investigations showed that glass powder performs better in concretes with high water-to-binder ratio (w/b) than those with low w/b ratio. Similar penetration of chloride ions was measured for concrete incorporating the same rate of glass powder but designed with w/b ratios of 0.55 and 0.40 (with binder dosages of 350 kg/m³ and 400 kg/m³, respectively), indicating good durability of this type of concrete even at higher w/b ratio. The present study investigates the durability of concrete incorporating glass powder in aggressive environments. It aims (1) to consolidate the trend previously described by extending the range of investigated w/b ratios and (2) to highlight effectiveness of the low chloride ions penetrability despite a high w/b of concretes on their resistance against aggressive external agents such as sulphates, chlorides, carbonation or corrosion. This study also examines the mechanical and microstructural properties of concretes to understand and elucidate the reaction mechanisms of the glass powder, in order to better identify its behavior in cementitious matrices. For comparison purposes, conventional supplementary materials are also included in the investigation. Several w/b ratios (0.35 ≤ w/b ≤ 0.65) were considered in a first series of concretes. The results obtained from these investigations, in terms of compressive strength, penetrability of chloride ions and water permeability, are in a good agreement with the trend previously observed for w/b=0.55 and w/b=0.40. In a second series of concretes, three w/b ratios (0.55, 0.45 and 0.40) were selected for in-depth investigations of transport properties and accelerated aging tests, i.e., carbonation and corrosion. The sulfate resistance was also evaluated on mortar specimens. The main results showed a slight increase of total porosity and gas permeability of concretes in presence of glass powder (or class F fly ash). However, water permeability and other transport properties involving chlorides are strongly reduced in presence of glass powder (or the other conventional additions). Low penetrability of concrete in presence of glass powder, regardless of the w/b ratio, was well demonstrated with results of the initiation of corrosion test induced by chloride. However, a similar positive effect of glass powder was not observed with the progression of the initial accelerated carbonation front. Moreover, concrete incorporating glass powder develops relatively low compression strength at early age (similarly as fly ash and unlike slag). However, a combination of glass powder with metakaolin provided very good synergetic effects and contributed in improving the early-age resistance. Finally, this study showed that the effects of glass powder on concrete properties are generally similar to those of class F fly ash. Overall, the results of this study highlight the significant contribution of the glass powder in improving the resistance of concrete against the external attacks and promote the large-scale use of this product in building materials.

Les matériaux cimentaires peuvent se détériorer grandement lorsqu'ils sont soumis à des cycles de gel/dégel avec ou sans sels de déverglaçage. Ceci peut porter atteinte à la durabilité à long terme des bétons/mortiers dans les régions aux hivers froids. Laissant de côté les processus d'endommagement et de rupture mécanique à l'oeuvre dans de tels problèmes, ce mémoire de thèse est consacré aux phénomènes physiques et thermo-mécaniques accompagnant la solidification de l'eau dans des solides poreux cohésifs, avec une attention particulière aux "propriétés matériau" issues de l'hydratation du ciment et de l'évolution de la microstructure. Ce travail reprend la poromécanique des milieux poreux partiellement gelés telle que développée par Olivier Coussy, tout en lui adjoignant une analyse de l'effet de la fin de la surfusion (en volume, hors contribution capillaire) et de la présence de sels dans le liquide saturant l'espace poreux. Nous avons mesuré la température de fin de surfusion en fonction de la concentration en sel. Ceci nous permet ensuite de calculer l'angle de contact entre la glace et les parois des pores dans le cadre classique de la nucléation hétérogène : on trouve que cet angle diminue avec la concentration en sel. Nous montrons que la dilatation instantanée consécutive à la fin de la surfusion dépend de la structure poreuse puisque cette dernière détermine la teneur en glace dans l'espace poreux. À l'aide de la distribution de tailles de pores estimée par porosimétrie par intrusion de mercure, nous estimons le degré de saturation en glace en fonction de la température et de la concentration initiale en sel via la relation de Gibbs-Thomson. Nous avons mesuré la déformation d'échantilllons de pâte de ciment saturée. L'analyse poromécanique montre que la déformation dépend de la concentration initiale en sel et de la structure poreuse des pâtes de ciment. En utilisant la même approche expérimentale sur des pâtes de ciment sèches, nous trouvons que la porosité (avec ou sans vide d'air entraîné) influence significativement le coefficient d'expansion thermique du matériau. En ce qui concerne les pâtes de ciment saturées, les mesures expérimentales et l'approche poromécanique en condition drainée ou non-drainée montrent que le degré de saturation initiale en liquide des vides d'air entraîné a un impact important sur la déformation de l'échantillon avec la température.

L'objectif de la thèse est de comprendre le comportement géochimique de l'arsenic dans les remblais miniers en pâte cimentés. Cette technique est employée depuis plusieurs années pour remblayer les galeries de mine exploitées à l'aide des rejets de concentrateurs. Pour cette étude, deux types de remblais sont élaborés en laboratoire : des échantillons de remblai minier en pâte synthétiques, fabriqués à partir de silice et enrichis artificiellement en arsenic, et des remblais miniers en pâte élaborés à partir de rejets miniers arséniés. Dans les deux cas, différents liants cimentaires sont testés. Plusieurs types d'investigations sont menés sur les échantillons de remblai en pâte cimentés. Une caractérisation minéralogique est effectuée à l'aide de divers outils. En parallèle, les échantillons de remblais sont soumis à différents tests de lixiviation complémentaires, afin d'évaluer la mobilité/rétention de l'arsenic dans ces matrices. Enfin, une modélisation géochimique est mise en œuvre à partir des résultats issus des deux études précédentes, afin d'affiner les connaissances sur la nature et la stabilité des composés arséniés dans les remblais étudiés. Les résultats obtenus indiquent que l'arsenic est mieux stabilisé dans les matrices à base de ciment Portland et de laitier de haut-fourneau que dans les remblais à base de cendres volantes. Le comportement à la lixiviation variable d'une matrice à l'autre s'explique par des spéciations et des mécanismes de piégeage de l'arsenic variés. L'arsenic peut précipiter sous forme de minéraux arséniés, principalement sous forme d'arséniates de calcium, mais aussi de divers autres composés secondaires variables d'une matrice à l'autre. Un piégeage physique des grains de rejets miniers arséniés par les hydrates cimentaires peut aussi avoir lieu, par formation d'un revêtement limitant l'oxydation des sulfures porteurs d'arsenic. Tous ces mécanismes interviennent dans la stabilisation/solidification de l'arsenic.

Les enceintes de confinement des centrales nucléaires sont conçues pour assurer des propriétés de confinement et d'étanchéité précises en situations d'usage normal et en cas d'accident nucléaire, afin d'éviter la dissémination de radioéléments dans l'environnement. Ces enceintes étant construites en béton, la maîtrise de l'évaluation de la perméabilité du béton et de ses évolutions sous contraintes permettrait d'évaluer les débits de fuite susceptibles d'intervenir dans le temps sous certaines sollicitations. Jusqu'aujourd'hui, il existe plusieurs techniques de mesure de la perméabilité et ces techniques aboutissent à des résultats différents pour une même éprouvette de béton. La première étude que nous avons réalisée a été donc de proposer une normalisation de la mesure de la perméabilité : cette normalisation a abouti à la détermination d'une perméabilité caractéristique du béton et indépendante de la technique de mesure. Parallèlement à cette démarche, nous avons aussi proposé d'évaluer la perméabilité du béton à l'aide d'observables du Contrôle Non Destructif comme la permittivité et la résistivité électrique. Les résultats obtenus montrent la possibilité d'estimer la perméabilité dans les conditions du béton sur site. La deuxième étude réalisée est relative à la maîtrise de la perméabilité sous contraintes. Au laboratoire, nous avons étudié la perméabilité d'éprouvettes en béton de différentes tailles dans diverses conditions de séchage, de sollicitation thermique, d'endommagements mécanique et couplés. Nous avons ainsi pu établir des modèles perméabilité-endommagements en fonction de chaque source d'endommagement. La troisième étude réalisé porte sur la transposition des résultats de laboratoire au site, à travers l'utilisation de maquette d'enceinte nucléaire de dimensions plus importantes et représentatives de l'ouvrage réel (VeRCoRs à l'échelle 1/3). L'ensemble des résultats des deux premières études ont été mise à contribution et ont permis d'aboutir à des calculs des débits de fuite et des Temps d'Etablissement du Régime Permanent d'Ecoulement cohérents avec les hypothèses de calculs. / The building reactor of the nuclear power plants are designed to provide precise containment and sealing properties in normal use situations and in the event of a nuclear accident, to prevent the spread of radioelements in the environment. Since these enclosures are made of concrete, controlling the evaluation of the permeability of concrete and its evolutions under stress would make it possible to evaluate the leakage rates that may occur over time under certain conditions. Until today, there are several techniques for measuring permeability and these techniques lead to different results for the same concrete specimen. The first study we carried out was therefore to propose a standardization of the permeability measurement: this standardization resulted in the determination of a characteristic permeability of concrete and independent of the measurement technique. In parallel with this approach, we also proposed to evaluate the permeability of concrete using observables from Non-Destructive Testing such as permittivity and electrical resistivity. The results obtained show the possibility of estimating the permeability under concrete conditions on site. The second study carried out relates to the control of the permeability under constraints. In the laboratory, we investigated the permeability of concrete specimens of different sizes under various conditions of drying, thermal stress, mechanical and coupled damage. We could establish permeability-damage models according to each source of damage. The third study carried out relates to the transposition from laboratory results to the site, using nuclear power plants mock-up of larger dimensions and representative of the actual structure (VeRCoRs at scale 1/3). All the results of the first two studies have been used and have led to calculations of leak rates and Time to Reach Steady State (TRSS) consistent with the calculation assumptions.

L’objectif de la thèse est de comprendre le comportement géochimique de l’arsenic dans les remblais miniers en pâte cimentés. Cette technique est employée depuis plusieurs années pour remblayer les galeries de mine exploitées à l’aide des rejets de concentrateurs. Pour cette étude, deux types de remblais sont élaborés en laboratoire : des échantillons de remblai minier en pâte synthétiques, fabriqués à partir de silice et enrichis artificiellement en arsenic, et des remblais miniers en pâte élaborés à partir de rejets miniers arséniés. Dans les deux cas, différents liants cimentaires sont testés. Plusieurs types d’investigations sont menés sur les échantillons de remblai en pâte cimentés. Une caractérisation minéralogique est effectuée à l’aide de divers outils. En parallèle, les échantillons de remblais sont soumis à différents tests de lixiviation complémentaires, afin d’évaluer la mobilité/rétention de l’arsenic dans ces matrices. Enfin, une modélisation géochimique est mise en œuvre à partir des résultats issus des deux études précédentes, afin d’affiner les connaissances sur la nature et la stabilité des composés arséniés dans les remblais étudiés. Les résultats obtenus indiquent que l’arsenic est mieux stabilisé dans les matrices à base de ciment Portland et de laitier de haut-fourneau que dans les remblais à base de cendres volantes. Le comportement à la lixiviation variable d’une matrice à l’autre s’explique par des spéciations et des mécanismes de piégeage de l’arsenic variés. L’arsenic peut précipiter sous forme de minéraux arséniés, principalement sous forme d’arséniates de calcium, mais aussi de divers autres composés secondaires variables d’une matrice à l’autre. Un piégeage physique des grains de rejets miniers arséniés par les hydrates cimentaires peut aussi avoir lieu, par formation d’un revêtement limitant l’oxydation des sulfures porteurs d’arsenic. Tous ces mécanismes interviennent dans la stabilisation/solidification de l’arsenic. / The objective of this study is to understand the geochemical behaviour of arsenic in cemented paste backfills. This technique consists in transporting the tailings in the mine openings. Two types of backfills are prepared in the laboratory for this study. First, synthetic cemented paste backfills artificially spiked with arsenic are synthesized, using silica in replacement of the tailings. In parallel, other cemented paste backfill specimens are prepared with arsenic-rich tailings. In the two cases, various types of hydraulic binders are tested. Several types of investigations are conducted on the cemented paste backfill specimens. A mineralogical characterization is carried out with the help of specific tools. At the same time, cemented paste backfill samples are submitted to several complementary leaching tests, to assess the mobility/immobilization potential of arsenic in these matrices. Finally, geochemical modeling is implemented, based on the results of the two previous studies, in order to refine the understanding of the nature and stability of the arsenic compounds. The results show that arsenic is better immobilized in Portland cement and slag-based matrices, rather than in fly ash-based matrices. The variable leaching behaviour from a given matrix to another is due to different arsenic trapping mechanisms. Arsenic can precipitate and form several arsenic minerals, mainly calcium arsenates, but also various other secondary compounds, which are different from a matrix to another. Physical entrapment of the tailings grains by the cementitious minerals can also occur, by formation of a coating around the grains, limiting the oxidation and dissolution of arsenic-bearing sulfides (passivation). These mechanisms are involved in the stabilization/solidification of arsenic by cemented paste backfills.