Cette étude a pour objectif d'améliorer les connaissances sur l'effet des irradiations sur le comportement des géopolymères vis-à-vis du dégagement de dihydrogène et de la tenue générale du matériau afin de les envisager comme une solution alternative aux matrices d'enrobage cimentaires usuelles pour certains déchets nucléaires. A l'aide de diverses techniques de caractérisation du géopolymère (adsorption d'azote, DSC basse température, spectroscopie IRTF et RMN 1H) et au moyen d'irradiations de simulation (gamma, ions lourds), il a été montré que toute l'eau présente au sein du géopolymère était radiolysable et qu'il existait un effet du confinement sur la radiolyse de l'eau sous irradiation à faible TEL, dû probablement à des transferts d'énergie efficaces de la matrice solide vers la solution interstitielle. Trois régimes de production de dihydrogène ont été identifiés en fonction de la dose selon la concentration de dioxygène dissous et l'accumulation de dihydrogène dans la matrice géopolymère. La bonne tenue mécanique du géopolymère a été démontré jusqu'à 9 MGy en irradiation gamma et serait dû à sa grande stabilité sous irradiation. Ceci s'expliquerait par la recombinaison rapide des défauts observés par spectroscopie RPE. Cependant, des cristallisations de phases ont été révélées lors d'irradiations avec des ions lourds, pouvant induire une certaine fragilisation du réseau du géopolymère sous irradiation alpha. L'ensemble des résultats a permis d'appréhender la phénoménologie au sein d'un colis de déchets en conditions de stockage. / This study aims to improve knowledge about the radiation effect on geopolymer behavior in terms of dihydrogen release and general strength in order to consider them as an alternative to usual nuclear waste cementitious coating matrices. Using various characterization techniques (nitrogen adsorption, low temperature DSC, FTIR and 1H NMR spectroscopy) and by means of simulation irradiations (gamma, heavy ions), it has been shown that all the water present in the geopolymer could be radiolyzed and that there was a confinement effect on the water radiolysis under low LET irradiation, probably due to efficient energy transfers from the solid matrix to the interstitial solution. Three dihydrogen production rates have been identified with the absorbed dose, depending on the concentration of dissolved dioxygen and the dihydrogen accumulation in the geopolymer matrix. The good mechanical strength of the geopolymer has been shown up to 9 MGy under gamma irradiation and is due to its high stability under irradiation. This could be explained by the fast recombination of the defects observed by EPR spectroscopy. However, phase crystallization was revealed during irradiation with heavy ions, which may induce some weakening of the geopolymer network under alpha irradiation. The overall results helped to understand the phenomenology in a waste package under storage conditions.

La maîtrise des techniques de fabrication de matériaux nanostructurés a fait émerger ces dernières années de nouvelles problématiques relatives aux transferts thermiques à très courtes échelles d'espace et de temps. L'étude thermique s'effectue alors à partir de l'équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les phonons qui sont les principaux porteurs de chaleur dans les semi-conducteurs. Ce travail résout l’ETB par une méthode statistique de type Monte Carlo en suivant le déplacement des phonons dans une nanostructure cristalline (de type nanofilm ou nanofil). On s’intéresse en particulier aux structures poreuses homogènes et avec gradient de porosité, ainsi qu’aux nanofils modulés en diamètre qui offrent des perspectives intéressantes en terme de réduction de conductivité / Since the past decades, progresses in nanomaterials engineering raise new questions about heat transport processes at very short time and space scales. Thermal properties of nanoscaled devices are determined from the resolution of the Boltzmann Transport Equation (BTE) for phonons, which are the main heat carriers in semiconductors. In this study, BTE is solved with a numerical tool based on a statistical method (Monte Carlo) which tracks phonons’ motion in two kinds of nanostructures: nanofilms and nanowires. We focus on the effect of homogeneous and heterogeneous porous materials as well as nanowires with varying diameters. All these devices present interesting prospects regarding thermal conductivity reduction

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

L'objectif global visé par les travaux de cette thèse est d'améliorer la caractérisation des propriétés macroscopiques des matériaux poreux à structure rigide ou souple par des approches inverses et indirectes basées sur des mesures acoustiques faites en tube d'impédance. La précision des approches inverses et indirectes utilisées aujourd'hui est principalement limitée par la qualité des mesures acoustiques obtenues en tube d'impédance. En conséquence, cette thèse se penche sur quatre problèmes qui aideront à l'atteinte de l'objectif global précité. Le premier problème porte sur une caractérisation précise de la porosité ouverte des matériaux poreux. Cette propriété en est une de passage permettant de lier la mesure des propriétés dynamiques acoustiques d'un matériau poreux aux propriétés effectives de sa phase fluide décrite par les modèles semi-phénoménologiques. Le deuxième problème traite de l'hypothèse de symétrie des matériaux poreux selon leur épaisseur où un index et un critère sont proposés pour quantifier l'asymétrie d'un matériau. Cette hypothèse est souvent source d'imprécision des méthodes de caractérisation inverses et indirectes en tube d'impédance. Le critère d'asymétrie proposé permet ainsi de s'assurer de l'applicabilité et de la précision de ces méthodes pour un matériau donné. Le troisième problème vise à mieux comprendre le problème de transmission sonore en tube d'impédance en présentant pour la première fois un développement exact du problème par décomposition d'ondes. Ce développement permet d'établir clairement les limites des nombreuses méthodes existantes basées sur des tubes de transmission à 2, 3 ou 4 microphones. La meilleure compréhension de ce problème de transmission est importante puisque c'est par ce type de mesures que des méthodes permettent d'extraire successivement la matrice de transfert d'un matériau poreux et ses propriétés dynamiques intrinsèques comme son impédance caractéristique et son nombre d'onde complexe. Enfin, le quatrième problème porte sur le développement d'une nouvelle méthode de transmission exacte à 3 microphones applicable à des matériaux ou systèmes symétriques ou non. Dans le cas symétrique, on montre que cette approche permet une nette amélioration de la caractérisation des propriétés dynamiques intrinsèques d'un matériau.

Dans le cadre de la problématique de la réduction des gaz à effet de serre, les producteurs de ciment et de béton utilisent de plus en plus d'ajouts minéraux. Cette approche permet de diminuer le contenu en ciment des bétons et, par conséquent, les émissions totales de CO[indice inférieur 2] associées à la fabrication du ciment et du béton. Dans ce contexte, il est important de mieux comprendre l'influence des ajouts minéraux sur le développement du retrait endogène des matrices cimentaires. Les ajouts minéraux choisis pour cette étude sont : une cendre volante de classe F, un laitier de haut fourneau et une fumée de silice. Le rôle des ajouts minéraux sur le développement du retrait endogène a été étudié en mesurant, pour différents taux de remplacement du ciment, pour différents rapports eau/liant (E/L) et pour différentes température, l'évolution des variations volumiques endogènes en fonction du temps (0 - 14 jours). Ces variations volumiques ont été ensuite analysées en prenant en compte le degré d'hydratation du liant, le retrait chimique et la structure de la porosité capillaire mesurée à la fm de l'essai de retrait endogène. L'influence de la teneur en sable et du rapport E/L sur l'évolution des variations volumiques endogènes des mortiers en fonction du temps (0 - 7 jours) a été également étudié en prenant en compte le degré d'hydratation du liant. Une technique expérimentale développée au département de génie civil de l'Université de Sherbrooke permettant de mesurer le retrait endogène volumique des pâtes de ciment et des mortiers a été employée. Elle permet de mesurer simultanément les retraits endogènes externe et interne. La mesure du retrait endogène volumique des pâtes de ciment et des mortiers est réalisée en milieu scellé et sous une température contrôlée. En milieu scellé et avant la prise du ciment, la variation de volume est causée par le retrait chimique qui n'engendre qu'un retrait endogène externe relativement inoffensif du point de vue de la fissuration. Après la prise, la variation de volume comprend un retrait endogène externe et un retrait endogène interne. Le retrait endogène externe est causé par l'effet simultané du retrait chimique et de la dépression capillaire. Le retrait endogène interne correspond au volume total des vides gazeux formés dans la phase liquide contenue dans la porosité capillaire. Cette recherche a aussi permis d'étudier l'influence de la structure de la porosité capillaire sur le développement du retrait endogène externe. Selon la loi de Laplace, la dépression capillaire augmente avec la diminution du rayon de pore. On a tenté donc de vérifier expérimentalement la relation entre le retrait endogène externe après prise et le rayon des ménisques. Le rayon des ménisques a été déterminé à partir du retrait endogène interne et de la courbe de porosité cumulative. Il correspond au rayon maximal des pores dans lesquels se trouvent les ménisques à la fin de l'essai de retrait endogène. Cette recherche a permis, pour la première fois, de quantifier précisément la composante interne du retrait endogène de matrices cimentaires. L'approche expérimentale a permis de mesurer, en cours d'hydratation, le volume des vides gazeux dans la porosité capillaire. Cette information permet ensuite de déterminer le rayon des ménisques à l'interface des phases gazeuse et liquide dans la porosité capillaire. Selon les résultats de cette recherche le rapport E/L a un effet majeur sur le développement du retrait endogène en raison de son influence sur la structure de la porosité capillaire. La fumée de silice diminue le retrait chimique de la pâte de ciment, alors qu'elle augmente le retrait endogène externe en diminuant le rayon critique des pores. Ce raffinement de la porosité capillaire diminue le rayon des ménisques, augmente la dépression capillaire et, par conséquent, le retrait endogène. Les liants avec laitier produisent un retrait chimique plus important que le ciment Portland. Ils raffinent la porosité capillaire, ce qui augmente le retrait endogène. Les liants avec cendres volantes ont un retrait chimique plus faible que celle du ciment Portland pur car la cendre volante s'hydrate très peu au jeune âge. Les liants avec cendres volantes produisent, au jeune âge, un réseau de pores capillaire plus grossier, ce qui cause un retrait endogène moins important. Une relation unique et linéaire a été établie entre le retrait endogène externe après la prise et l'inverse du rayon du ménisque. Cette relation peut être utilisée pour comprendre l'influence des paramètres de formulation (E/L, type et dosage du liant) sur l'intensité du retrait endogène externe.

L'objectif de ce travail est de développer de nouveaux matériaux carbonés dont la structure poreuse est contrôlée en taille et en morphologie dès l'étape de synthèse. Nous nous sommes tout d'abord intéressés à la technique de nanomoulage. Nous avons, tout d'abord, cherché à optimiser les conditions de synthèse de la réplique carbonée de la zéolithe EMC-2 (EMT) qui a l'avantage de conduire à un diagramme de diffraction bien résolu. Ensuite, différentes zéolithes ont été utilisées comme moule en s'appuyant sur les conditions optimales définies par la première étude. Dans un troisième temps, nous avons étudié la capacité d'adsorption et de séparation de gaz à température ambiante de la réplique carbonée de la zéolithe Y (FAU). L'inconvénient de cette technique est qu'elle est multi-étapes et de grandes quantités ne peuvent être obtenues. Aussi, nous avons cherché à développer d'autres méthodes d'obtention de carbones poreux. Nous nous sommes alors intéressés à la synthèse basée sur l'auto-assemblage entre un tensioactif structurant et un polymère précurseur de carbone. Nous avons cherché à comprendre le mécanisme de formation de ces matériaux et l'influence des différents paramètres de synthèse. Ce type de synthèse permet également l'obtention de composites silice/carbone mésoporeux lorsqu'un précurseur silicique est ajouté au milieu de synthèse. En outre, nous avons étudié la synthèse et la caractérisation de composites obtenus par " tapissage " des pores d'un matériau silicique par une couche de carbone. Les matériaux obtenus présenteraient alors des pores de plus petits diamètres dont la surface aurait des caractéristiques proches de celles de matériaux carbonés.

L'encrassement biologique des revêtements de façade constitue un problème esthétique et économique. Parmi les microorganismes impliqués, les algues sont les plus répandues. Ce travail avait pour but d'étudier expérimentalement l'influence des paramètres intrinsèques (porosité, rugosité et carbonatation) de mortiers à base de ciment sur leur bioréceptivité et de modéliser le développement du biofilm d'algues.Pour étudier l'effet de ces paramètres sur la biodétérioration des mortiers, un essai accéléré de laboratoire a été développé. Les travaux ont été réalisés avec l'algue verte Klebsormidium flaccidum fréquemment identifiée dans les prélèvements réalisés sur des façades colonisées. Les résultats montrent qu'une augmentation de rugosité et une diminution du pH de surface par carbonatation favorisent l'encrassement des mortiers par les algues.Un modèle inspiré de la loi d'Avrami a permis de modéliser le phénomène de colonisation par les algues. Deux processus interviennent dans le mécanisme de colonisation : l'accrochage (ou " germination ") et la croissance des algues. Les paramètres cinétiques représentant ces processus ont été déterminés et révèlent l'importance de la rugosité et de la carbonatation sur la constante de vitesse de " germination ".L'exposition d'échantillons en extérieur a été également réalisée. Les résultats obtenus permettent de retrouver partiellement le comportement des matériaux en laboratoire même si le démarrage de la colonisation semble être affecté par les conditions climatiques.

Le stockage géologique est aujourd'hui envisagé dans plusieurs domaines tels que le stockage de CO2 ou celui de déchets nucléaires. C'est un projet à long terme qui nécessite un protocole d'étude particulier afin de déterminer et comprendre la formation envisagée, notamment en termes de mécanismes de transports. Les formations étudiées sont fonction du type de stockage dans le sens où un stockage de gaz ou de déchet radioactifs ne vont pas requérir les mêmes besoins. Dans le cas d'un stockage de CO2, la formation hôte doit posséder de bonnes propriétés réservoirs afin de, notamment, faciliter l'injection. Pour un stockage de déchets radioactifs, la formation hôte doit retenir au maximum les éventuelles fuites de fluides contaminés, c'est pourquoi les sites de stockage envisagés sont au sein de formation très peu poreuse et très peu perméable, argilite ou granite notamment.Les travaux présentés dans cette thèse sont liés à deux projets de stockage. Le premier a pour but l'étude pétrophysique d'une formation potentiellement hôte d'un stockage de CO2 dans le Bassin Parisien, la formation carbonatée de l'Oolithe Blanche. Cette formation, composée de trois faciès principaux, présente de faibles propriétés réservoir qui sont influencées par trois paramètres microstructuraux : la nature du liant, la quantité de compaction et, enfin, la taille des pores et leur distribution.Le second projet est basé sur l'étude d'un analogue structurale au laboratoire de Meuse/Haute-Marne de l'Andra pour le stockage de déchets radioactifs. Cet analogue est situé dans l'archipel Maltais, qui présente une structure tabulaire très proche de celle observée dans la région du laboratoire de Meuse/Haute-Marne : calcaire/argile/calcaire. Notre étude a permis la mise en évidence de plusieurs périodes de mouvement de fluides oxydants, dont une traversant l'ensemble de la formation argileuse, remettant ainsi en cause ses propriétés d'imperméabilité. / Geological storage is now considered as a technical solution for CO2 storage andnuclear waste management (for high-level and intermediate-level long-lived radioactivewaste). A geological storage is a long term project which implies a particular protocol in orderto better determine and to better understand the host rock, especially in terms of transportmechanisms. The geological formations studied are chosen in function of their storagecapacity because gas storage or nuclear waste storage do not need the same requirements.In case of CO2 storage, the host formation must provide good reservoir properties in order tofacilitate the injection. Here, the safety of the storage is guaranteed by traps (structural,residual, mineral) and by the presence of a cap rock. Concerning nuclear waste storage, thehost must retain at best the potential radioactive fluids and gaz leaks, and this is the reasonwhy storage sites are studied within low porous and low permeable formation, like argillite orgranite.The work presented in the PhD thesis is related to two storage projects. The first oneis focused on the petrophysical study of a potential host for CO2 storage in the Paris Basin,the “Oolithe Blanche” carbonate formation. The second project is an analogue study of thesedimentary structure explored in the Meuse/Haute-Marne laboratory. This laboratory isstudied by ANDRA to be the first nuclear waste storage in a deep geological formation inFrance. The analogue was found in maltese archipelagos, which presents almost the sametabular structure as the one observed in the Meuse/Haute-Marne laboratory:limestone/clay/limestone affected by a weak tectonique deformation.In the first part, the Oolithe Blanche Formation study allowed to determine thereservoir properties of the three principals facies of the formation. This study was realized onplugs sampled on quarries in Burgundy (France). Those facies are characterized by differentenvironmental processes and deposit energy; nonetheless, they are all located within ashoreface depositional environment. They are composed of ooids, pellets and bioclasts invarying proportions. The reservoir properties studied showed the Oolithe Blanche Formationis a microporous one. Microstructural parameters which influence reservoir properties are:the cement type (sparite or micrite), amount of compaction characterized by the cementquantity and the contact between elements and, at last, the pore size distribution withinporous elements (micro, meso, macropores).The second part of this project is focused on a more petrophysical study which aimedat characterizing the pore network influence (volume, shape in space) on acoustic velocities,6electrical conductivity and on permeability. The study is completed by the use of permeabilitypredictive models based on mercury porosimetry spectra.The maltese archipelagos study is based on observations made by Missenard et al.(in prep.) .), Rocher et al., (2008) and Missenard et al. (2009, 2011) on the Blue ClayFormation, thick clay formation (~ 100 m) and on the underlying Globigerina Limestone. Theclay formation presents an important fracture network characterized by gypsum filling and byan oxidizing zone near the fractures. A similar oxidation, in the shape of lobes andmushrooms, is observed within the Globigerina Limestone.This study is also divided in two parts. In the first one, the focus is on the study ofgypsum filling fractures. Studying this filling is directly linked with the storage topic, because,in the case of a nuclear waste storage, the absence of fractures and fluid motion is animportant condition to insure the storage security. In the case of gypsums filling, the study isbased on geochemical measurements on oxygen (δ18O), sulphur (δ34S) and strontiumisotopes (87Sr/86Sr) coupled with a fluid inclusion study, all measurements performed ongypsum crystal. Those analyses allow us to propose a downward fluids circulation modelthrought the clays. Fluids source which is at the origin of gypsum’s precipitation seems to beyounger than the hosted formation. Because of the position of the maltese islands, inMediterranean sea, one potential source is the Messinian evaporites, which Sr isotopic ratiocorresponds well to our data set.The second part of the maltese study concerns the oxidation shape observed withinthe Globigerina Limestone. The aim is to determine the processes which allowed thisoxidation. The main question is: are those structures the results of an internal heterogeneityin the rock or the sign of a stop in a fluid motion (stop of the fluid or stop of the oxidizingmechanism)? In order to answer those questions we based our interpretaion on the skeletonof the rock (mineralogy, magnetic mineralogy, microstructural study, geochemistry), on poreand porosity (porosity measurements, mercury porosimetry…), on permeability and on therock anisotropy (susceptibility of magnetic anisotropy (SMA) and acoustic velocitiesanisotropy). Some conflicting differences on the dataset exist, especially on anisotropy data,which can suppose some complex processes.

Ce travail de thèse consiste en une étude approfondie du comportement de l'oxyde de silicium implanté Kr ou Xe pour son application comme matériau à faible constante diélectrique. Deux volets sont examinés: une étude structurale par l'utilisation de plusieurs techniques (RBS, PL, MET et PAS) et une étude de la variation de la constante diélectrique par utilisation de la spectroscopie IR avec le développement d'un modèle de la fonction diélectrique et des mesures C(V). Pour la caractérisation structurale, les principaux résultats confirment pour le cas du Kr, une distribution homogène de ce dernier jusqu'à 400°C. Pour le cas du Xe, le profil de distribution en profondeur de Xe est quasi-gaussien. Le Xe reste stable dans le SiO2 jusqu'à 900°C et désorbe à 1100°C et les bulles se transforment en cavités. Les bulles sont formées au niveau du pic des lacunes (p(lacunes)R). Alors qu’en l’absence des bulles, le Xe se localise à la profondeur de fin de parcours du Xe (RpXe) calculée par SRIM. On note aussi la présence de défauts chargés négativement et des défauts paramagnétiques E'. Ces défauts négatifs disparaissent après un recuit à 750°C. La forme des bulles, pour les deux cas Xe et Kr, est influencée par la position de l'interface SiO2/Si; sans doute à cause de la différence des modules d'Young des deux matrices. L'IR et les mesures C(V) ont permis de montrer que l'implantation des deux gaz fait diminuer la valeur de la constante diélectrique jusqu'à 2.8 pour le cas Kr et entre 1.8 et 2.4 pour le cas Xe. La cohérence des résultats obtenus par les deux techniques montrent bien que ces deux gaz rares peuvent être utilisés pour la réalisation de SiO2 de faible constante diélectrique avec un impact plus important quand le Xe est utilisé. Cette étude a permis aussi de montrer la contribution de la polarisabilité et de la porosité sur la réduction de la valeur de la constante diélectrique du SiO2 implanté. / This thesis aims to get a deep insight of Kr and Xe-implanted amorphous SiO2 for its possible application as low-k material. This work is divided in two parts: Two sides are examined: a structural study by using several techniques (RBS, PL, MET et PAS) and investigation of the evolution of the dielectric constant by using IR spectroscopy with a dielectric function model developing and C-V measurements. From structural characterization, our main results confirm, in the case of Kr implantation, an homogeneous distribution for temperature up to 400°C. For Xe, the distribution profile is quasi-gaussian. Xe remains stable in SiO2 then desorbs completely at 1100°C. We demonstrated that Xe-bubbles are located at the projected range of vacancies (RPV) as simulated by SRIM. However, we also showed that if Xe dose is not higher enough to induce bubbles, Xe is located at RP. Such a behavior helps understanding the formation of Xe-bubbles in SiO2. We reported the presence of negative defects charge and the paramagnetic defects E'. These defects disappear after 750°C annealing. The shape of bubbles induced by both Kr and Xe is SiO2/Si interface dependent. They are spherically shaped when interface is closed and quite irregular when this one is far. Differences in Young Modulus of Si and SiO2 can probably explain such a behavior. IR and C-V measurements show that Xe and Kr implantation result in decreasing the dielectric constant value down to 2.8 in the Kr case and in the range 1.8-2.4 in the Xe case. The good agreement between k values provided by IR and C-V measurements clearly valids the fact that Kr or Xe-implantation in SiO2 is a powerful approach to building low-k dielectrics. With Xe leading to a higher decrease. This study has also pointed out the contribution of both the polarisability and the porosity in the reduction of the dielectric constant of the implanted SiO2.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.