In this era of increasing standard of living and rapid growth of civil engineering construction, environmental issues pertaining to natural resources depletion, global warming, energy crisis, waste pollution and greenhouse gas emission have been major issues of concern throughout the world and most especially in the construction industry. This research was conducted to investigate the applicability of recycled wastepaper as lightweight building materials with focus on contributing to sustainability in the creation of the built environment. The major aim was to develop an eco-friendly lightweight non-loadbearing block from recycled wastepaper without the use of cement as binder. This study specifically addressed the drawback of low strength development that usually occur with increasing wastepaper content in the existing cement-based-wastepaper blocks. It also indirectly addresses; the environmental impacts associated with the construction industry (including; high consumption of natural resources, greenhouse gas emission, high energy consumption and so on), the environmental pollution resulting from unsustainable waste generation, and the generic drawback of high water absorption that plagues wastepaper-based blocks. To achieve this, research methods including; laboratory experimentation and simulation modelling were employed. The research outcome is an eco-friendly block unit designated as Cement-less Wastepaper-based Lightweight Block (CWLB) which contains 75% waste content and exhibiting properties that satisfy the requirements for application as non-loadbearing lightweight blocks in building construction. CWLB displayed compressive strength that far outweighs those recorded for the existing cement-based wastepaper blocks available in the literature. The properties recorded for the optimal CWLB includes; 2.71 MPa average compressive strength, 901.5 kg/m3 average density, 0.19 W/m.k thermal conductivity, 989.9 m/s ultrasonic pulse velocity, 0.0026 g/m2.S0.5 average coefficient of capillary water absorption and 883.38 MPa estimated elastic modulus. The approximate compressive strength of 2.38 MPa and 1.58 MPa were respectively predicted and recorded for the solid and hollow finite element model samples of CWLB. The impressive satisfactory properties of CWLB for the intended application and its eco-friendliness in terms of natural resources conservation and improved compressive strength suggests that CWLB shall indeed serve as a more sustainable alternative to the reigning/existing cement-based-wastepaper blocks and to the conventional masonry blocks of the same category. Amongst other things, future work will address the validation of the approximate compressive strength predicted for the solid and hollow CWLB insitu samples in order to take further the subject matter.

Abstract : Wastepaper sludge ash (WSA) is generated by a cogeneration station by burning wastepaper sludge. It mainly consists of amorphous aluminosilicate phase, anhydrite, gehlenite, calcite, lime, C2S, C3A, quartz, anorthite, traces of mayenite. Because of its free lime content (~10%), WSA suspension has a high pH (13). Previous researchers have found that the WSA composition has poor robustness and the variations lead to some unsoundness for Portland cement (PC) blended WSA concrete. This thesis focused on the use of WSA in different types of concrete mixes to avoid the deleterious effect of the expansion due to the WSA hydration. As a result, WSA were used in making alkali-activated materials (AAMs) as a precursor source and as a potential activator in consideration of its amorphous content and the high alkaline nature. Moreover, the autogenous shrinkage behavior of PC concrete at low w/b ratio was used in order to compensate the expansion effect due to WSA. The concrete properties as well as the volume change were investigated for the modified WSA blended concrete. The reaction mechanism and microstructure of newly formed binder were evaluated by X-ray diffraction (XRD), calorimetry, thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). When WSA was used as precursor, the results showed incompatible reaction between WSA and alkaline solution. The mixtures were not workable and provided very low compressive strength no matter what kinds of chemical activators were used. This was due to the metallic aluminum in WSA, which releases abundant hydrogen gas when WSA reacts with strong alkaline solution. Besides, the results of this thesis showed that WSA can activate the glassy phase contained in slag, glass powder (GP) and class F fly ash (FFA) with an optimum blended ratio of 50:50. The WSA/slag (mass ratio of 50:50) mortar (w/b of 0.47) attained 46 MPa at 28 days without heat curing assistance. A significant fast setting was noticed for the WSA-activated binder due to the C3A phase, free lime and metallic aluminum contained in the WSA. Adding 5% of gypsum can delay the fast setting, but this greatly increased the potential risk of intern sulfate attack. The XRD, TGA and calorimetry analyses demonstrated the formation of ettringite, C-S-H, portlandite, hydrogarnet and calcium carboaluminate in the hydrated binder. The mechanical performance of different binder was closely related to the microstructure of corresponding binder which was proved by the SEM observation. The hydrated WSA/slag and WSA/FFA binder formed a C-A-S-H type of gel with lower Ca/Si ratio (0.47~1.6). A hybrid gel (i.e. C-N-A-S-H) was observed for the WSA/GP binder with a very low Ca/Si ratio (0.26) and Na/Si ratio (0.03). The SEM/EDX analyses displayed the formation of expansive gel (ettringite and thaumasite) in the gypsum added WSA/slag concrete. The gradual emission of hydrogen gas due to the reaction of WSA with alkaline environment significantly increased the porosity and degraded the microstructure of hydrated matrix after the setting. In the last phase of this research WSA-PC blended binder was tailored to form a high autogenous shrinkage concrete in order to compensate the initial expansion. Different binders were proportioned with PC, WSA, silica fume or slag. The microstructure and mechanical properties of concrete can be improved by decreasing w/b ratios and by incorporating silica fume or slag. The 28-day compressive strength of WSA-blended concrete was above 22 MPa and reached 45 MPa when silica fume was added. The PC concrete incorporating silica fume or slag tended to develop higher autogenous shrinkage at low w/b ratios, and thus the ternary binder with the addition of WSA inhibited the long term shrinkage due to the initial expansion property to WSA. In the restrained shrinkage test, the concrete ring incorporating the ternary binder (PC/WSA/slag) revealed negligible potential to cracking up to 96 days as a result of the offset effect by WSA expansion. The WSA blended regular concrete could be produced for potential applications with reduced expansion, good mechanical property and lower permeability. / Résumé : Les cendres de boues de désencrage (CBD) sont générées par une centrale de cogénération par combustion boues de désencrage. Ils se composent principalement de phase amorphe d'aluminosilicate, anhydrite, gehlenite, calcite, chaux, C2S, C3A, quartz, anorthite, des traces de mayénite. En raison de leur teneur en chaux libre (~ 10%), CBD ont un pH élevé (13). Les chercheurs précédents ont montré que la composition des CDB a une mauvaise robustesse et les variations conduisent à une certaine inconsistance pour le béton avec un mélange de ciment Portland (CP) et des CBD. Cette thèse a porté sur l'utilisation des CBD dans différents types de mélanges de béton pour éviter l'effet délétère de l'expansion due à l'hydratation des CBD. Par conséquent, les CBD ont été utilisées dans la fabrication des matériaux à activation alcaline (MAA), en tant que source précurseur et comme activateur potentiel en tenant compte de sa teneur en matière amorphe et la nature très alcaline des CBD. De plus, le retrait endogène du béton avec CP à faible rapport E/L a été utilisé afin de compenser l'effet d'expansion en raison des CBD. Les propriétés du béton ainsi que le changement de volume ont été étudiés pour le béton mélangé avec des CBD modifiés. Le mécanisme réactionnel et la microstructure du liant nouvellement formé a été évaluée par la diffraction aux rayons X diffraction (DRX), calorimétrie, l'analyse thermogravimétrique (ATG), microscopie électronique à balayage (MEB) et spectroscopie à dispersion d'énergie aux rayons X (DEX). Quand les CBD ont été utilisés comme précurseur, les résultats ont montré des réactions incompatibles entre CBD et une solution alcaline. Les mélanges ne sont pas maniables et donnent de très faibles résistances en compression, peu importe le type d'activateurs chimiques utilisés. Cela est dû à l'aluminium métallique dans les CBD, qui permet de libérer de l'hydrogène gazeux en abondance quand les CBD réagissent avec une solution alcaline forte. D'ailleurs, les résultats de ces recherches ont montré que les CBD peuvent activer la phase amorphe contenue dans le laitier, poudre de verre (PV) et les cendres volantes de classe F (CVF) avec un rapport de mélange optimal de 50:50. Un mortier avec un rapport massique 50:50 de CBD et de laitier (E/L de 0,47) atteint 46 MPa à 28 jours sans l’aide d’un murissement à chaud. Une prise rapide significative a été notée pour le liant CBD activé en raison de la phase C3A, chaux libre et l’aluminium métallique impliqué dans les CBD. L’ajout de 5% de gypse peut retarder la prise rapide, mais augmente grandement le risque potentiel de l’attaque au sulfate interne. Le DRX, ATG et l’analyse calorimétrique ont démontré la formation d'ettringite, C-S-H, la portlandite, hydrogrenat et carboaluminate de calcium dans le liant hydraté. Les différentes performances mécaniques du liant ont été étroitement liées à la microstructure correspondante qui a été prouvée par le MEB. Les liants hydratés CBD/laitier et CBD/CVF ont formé un type de gel C-A-S-H avec un faible rapport Ca/Si (0,47 ~ 1,6). On a observé un gel hybride (à savoir C-N-A-S-H) pour le liant CBD/PV avec un des très faibles rapports Ca/Si (0,26) et Na/Si (0,03). Les analyses MEB/DRX ont montré une formation de gel expansive (d’ettringite et de thaumasite) dans le gypse ajouté au béton avec les CBD et le laitier. L'émission progressive de l'hydrogène gazeux en raison de la réaction des CBD dans un environnement alcaline a augmenté la porosité et la dégradation de la microstructure de matrice hydratée après la prise. Dans la dernière phase de cette recherche, le liant avec un mélange de CBD et de CP a été développé pour former un retrait autogène élevé, afin de compenser l'expansion initiale. Différents liants ont été préparés avec le CP, CBD, la fumée de silice ou du laitier. La microstructure et les propriétés mécaniques du béton peuvent être améliorées en diminuant les rapports E/L et en incorporant la fumée de silice ou du laitier. La résistance en compression à 28 jours du béton aux CBD était supérieure à 22 MPa et atteint 45MPa lorsqu'on a ajouté de la fumée de silice. Le béton avec du CP incorporant de la fumée de silice ou du laitier ont tendance à développer un retrait endogène plus élevée à de faibles rapports E/L, et donc le liant ternaire avec l'ajout des CBD réduit le retrait à long terme en raison de la propriété d’expansion initiale des CBD. Dans l'essai de retrait empêché, l'anneau en béton incorporant le liant ternaire (CP/CBD/laitier) a révélé un potentiel négligeable à la fissuration jusqu'à 96 jours en raison de l'effet de décalage de l'expansion des CBD. Des liants modifiés avec des CBD peuvent être utilisés dans des mélanges de béton ordinaire pour des applications potentielles avec des expansions réduites, des bonnes propriétés mécaniques et une faible perméabilité.

Résumé : L’utilisation des cendres volantes générées par la combustion de biomasse présente une solution très prometteuse pour la conception de bétons écologiques de haute performance. Cependant, leur comportement dans un milieu cimentaire est encore peu étudié. Ce projet est concentré sur la compréhension des processus d’hydratation d’un système cimentaire contenant les cendres volantes de biomasse disponibles localement. Lors du programme expérimental, la caractérisation physico-chimique des cendres volantes étudiées a d’abord été réalisée. Ensuite, leur effet sur les propriétés rhéologiques, la cinétique d’hydratation, l’évolution des hydrates avec le temps et le développement des résistances ont été examinés. Les systèmes étudiés sont des pâtes et des mortiers avec différents taux de remplacement de ciment par les cendres volantes et deux rapports eau/liant de 0,5 et 0,4 en absence et en présence de superplastifiant. La variation des propriétés physico-chimiques de différents échantillons des cendres volantes (finesse, teneur en chaux libre, en sulfates et en calcite) a été utilisée pour déterminer l’effet de chacun de ces paramètres sur les performances des mélanges. Le remplacement partiel du ciment par les cendres volantes de biomasse entraine des changements sur la rhéologie, la cinétique d’hydratation, la composition des hydrates et la microstructure des pâtes hydratées. De plus, certains problèmes de compatibilité entre les cendres volantes et les superplastifiants sont observés. En se basant sur l’analyse des résultats obtenus, les explications des phénomènes qui se produisent dans les systèmes cimentaires contenant les cendres volantes de biomasse sont proposées. / Abstract : The use of wastepaper sludge ash (WSA) represents a very promising solution for ecological high performance concrete design. However, the effect of WSA on cementitious systems properties is still insufficiently studied. The present project intends to understand the hydration process in Portland cement systems containing locally available WSA. The experimental program begins with characterization of WSA physico-chemical properties. Then, the effect of WSA on rheology, hydration kinetics, hydration products evolution over time and strength development in cement blends is investigated. The systems discussed here are cement pastes and mortars with different cement replacement by WSA ratio and two water to binder ratio (0,5 and 0,4) with and without superplasticizer. The variation of physico-chemical properties (fineness; free lime, sulphate and calcite content) between different WSA samples was used to determine the effect of each of these parameters on blended cement performances. Partial cement replacement by WSA leads to changes in rheology, hydration kinetics, composition of the hydrates and microstructure of hydrated pastes. Moreover, some incompatibility problems between WSA and superplasticizers used are observed. Based on experimental results analysis, the explanations of the phenomena taking place in cement systems containing WSA are proposed.

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.