Physical and chemical kinetics of structural build-up of cement suspensions

Abstract : The structural build-up of fresh cement-based materials has a great impact on their structural performance after casting. Accordingly, the mixture design should be tailored to adapt the kinetics of build-up given the application on hand. The rate of structural build-up of cement-based suspensions at rest is a complex phenomenon affected by both physical and chemical structuration processes. The structuration kinetics are strongly dependent on the mixture’s composition, testing parameters, as well as the shear history. Accurate measurements of build-up rely on the efficiency of the applied pre-shear regime to achieve an initial well-dispersed state as well as the applied stress during the liquid-solid transition. Studying the physical and chemical mechanisms of build-up of cement suspensions at rest can enhance the fundamental understanding of this phenomenon. This can, therefore, allow a better control of the rheological and time-dependent properties of cement-based materials. The research focused on the use of dynamic rheology in investigating the kinetics of structural build-up of fresh cement pastes. The research program was conducted in three different phases. The first phase was devoted to evaluating the dispersing efficiency of various disruptive shear techniques. The investigated shearing profiles included rotational, oscillatory, and combination of both. The initial and final states of suspension’s structure, before and after disruption, were determined by applying a small-amplitude oscillatory shear (SAOS). The difference between the viscoelastic values before and after disruption was used to express the degree of dispersion. An efficient technique to disperse concentrated cement suspensions was developed. The second phase aimed to establish a rheometric approach to dissociate and monitor the individual physical and chemical mechanisms of build-up of cement paste. In this regard, the non-destructive dynamic rheometry was used to investigate the evolutions of both storage modulus and phase angle of inert calcium carbonate and cement suspensions. Two independent build-up indices were proposed. The structural build-up of various cement suspensions made with different cement contents, silica fume replacement percentages, and high-range water reducer dosages was evaluated using the proposed indices. These indices were then compared to the well-known thixotropic index (Athix.). Furthermore, the proposed indices were correlated to the decay in lateral pressure determined for various cement pastes cast in a pressure column. The proposed pre-shearing protocol and build-up indices (phases 1 and 2) were then used to investigate the effect of mixture’s parameters on the kinetics of structural build-up in phase 3. The investigated mixture’s parameters included cement content and fineness, alkali sulfate content, and temperature of cement suspension. Zeta potential, calorimetric, spectrometric measurements were performed to explore the corresponding microstructural changes in cement suspensions, such as inter-particle cohesion, rate of Brownian flocculation, and nucleation rate. A model linking the build-up indices and the microstructural characteristics was developed to predict the build-up behaviour of cement-based suspensions The obtained results showed that oscillatory shear may have a greater effect on dispersing concentrated cement suspension than the rotational shear. Furthermore, the increase in induced shear strain was found to enhance the breakdown of suspension’s structure until a critical point, after which thickening effects dominate. An effective dispersing method is then proposed. This consists of applying a rotational shear around the transitional value between the linear and non-linear variations of the apparent viscosity with shear rate, followed by an oscillatory shear at the crossover shear strain and high angular frequency of 100 rad/s. Investigating the evolutions of viscoelastic properties of inert calcite-based and cement suspensions and allowed establishing two independent build-up indices. The first one (the percolation time) can represent the rest time needed to form the elastic network. On the other hand, the second one (rigidification rate) can describe the increase in stress-bearing capacity of formed network due to cement hydration. In addition, results showed that combining the percolation time and the rigidification rate can provide deeper insight into the structuration process of cement suspensions. Furthermore, these indices were found to be well-correlated to the decay in the lateral pressure of cement suspensions. The variations of proposed build-up indices with mixture’s parameters showed that the percolation time is most likely controlled by the frequency of Brownian collisions, distance between dispersed particles, and intensity of cohesion between cement particles. On the other hand, a higher rigidification rate can be secured by increasing the number of contact points per unit volume of paste, nucleation rate of cement hydrates, and intensity of inter-particle cohesion.

Les profils motivationnels des étudiants de première année de licence de l'Université Catholique de Lille : autodétermination envers les études et dynamique motivationnelle envers les activités pédagogiques

Les étudiants de première année de licence de l’Université Catholique de Lille (UCL) constituent une population à part. D’une part, ils sont inscrits dans l’enseignement supérieur privé associatif, qui constitue une part minoritaire, mais croissante du paysage de l’enseignement supérieur français. D’autre part, leurs caractéristiques socio-économiques et leurs antécédents scolaires ne semblent pas suffisants pour expliquer leur taux de réussite plus élevé que l’ensemble des étudiants de première année de licence. Or, dans les pays occidentaux, les taux d’échecs observés en première année d’université ont généré une large littérature scientifique cherchant à mieux comprendre quelles caractéristiques étaient en mesure d’expliquer l’échec ou la réussite étudiante. Parmi les pistes proposées, l’étude des caractéristiques motivationnelles semble prometteuse. Nous nous sommes donc demandé quelles étaient les caractéristiques motivationnelles, que nous avons appelées profils, des étudiants de première année de licence de l’UCL. Pour répondre à cette question, nous avons essayé de savoir si les activités pédagogiques proposées habituellement en première année pouvaient se révéler un élément déterminant au niveau de la motivation. Le contexte de l’UCL, misant fortement sur l’innovation pédagogique pour l’avenir, rend cet éclairage particulièrement intéressant pour les responsables pédagogiques et les enseignants. Mais la particularité du système d’accès au supérieur et la spécificité de l’enseignement supérieur privé associatif nous ont également amené à questionner la motivation à effectuer des études de ces étudiants. En effet, il est difficile de s’imaginer mesurer la motivation dans une activité pédagogique sans tenir compte des motivations à s’engager dans les études de manière générale. Nous nous sommes appuyés sur un cadre de référence original empruntant à la fois à la théorie de l’autodétermination (Deci et Ryan, 1985) et de la dynamique motivationnelle au sein d’une activité pédagogique (Viau, 2009). Si l’objectif général est d’établir les profils motivationnels des étudiants de première année de licence de l’UCL, nous nous sommes demandé quelles caractéristiques personnelles (âge, sexe, origine sociale, antécédents scolaires, discipline, type d’établissement, choix et type de sélection) significatives influencent les profils motivationnels. Les résultats de l’étude portant sur 457 étudiants montrent une motivation très élevée envers les études, soutenue par des motifs à la fois intrinsèques et extrinsèques, pourtant opposés selon la théorie de l’autodétermination. Les étudiants montrent une motivation élevée envers les travaux dirigés qui allient théorie et pratique mais aussi envers les activités pédagogiques avec lesquelles ils sont familiers. Les étudiants de faculté sont motivés envers les cours magistraux et moins envers les projets, ce qui est l’inverse des étudiants en école. Notons que le résultat le plus original provient de l’étude des caractéristiques faisant varier les profils. En effet, aucune des caractéristiques personnelles étudiées ne fait varier les profils à l’exception des disciplines et du type d’établissement (école ou faculté) où sont observées des variations statistiques. En outre, au sein d’une même discipline, les différences existent en fonction du type d’établissement. Autrement dit, des facteurs contextuels propres aux établissements ou à la culture disciplinaire sont à l’origine des différents profils motivationnels. Ces conclusions renforcent le rôle de l’institution et des facteurs environnementaux propres aux établissements dans les niveaux de motivation des étudiants. Notre recherche donne également des données importantes aux acteurs de terrain en contact direct avec les étudiants.

Modèles de Markov cachés à haute précision dynamique

La reconnaissance vocale est une technologie sujette à amélioration. Malgré 40 ans de travaux, de nombreuses applications restent néanmoins hors de portée en raison d'une trop faible efficacité. De façon à pallier à ce problème, l'auteur propose une amélioration au cadre conceptuel classique. Plus précisément, une nouvelle méthode d'entraînement des modèles markoviens cachés est exposée de manière à augmenter la précision dynamique des classificateurs. Le présent document décrit en détail le résultat de trois ans de recherche et les contributions scientifiques qui en sont le produit. L'aboutissement final de cet effort est la production d'un article de journal proposant une nouvelle tentative d'approche à la communauté scientifique internationale. Dans cet article, les auteurs proposent que des topologies finement adaptées de modèles markoviens cachés (HMMs) soient essentielles à une modélisation temporelle de haute précision. Un cadre conceptuel pour l'apprentissage efficace de topologies par élagage de modèles génériques complexes est donc soumis. Des modèles HMM à topologie gauche-à-droite sont d'abord entraînés de façon classique. Des modèles complexes à topologie générique sont ensuite obtenus par écrasement des modèles gauche-à-droite. Finalement, un enchaînement successif d'élagages et d'entraînements Baum-Welch est fait de manière à augmenter la précision temporelle des modèles.

Évaluation de la performance des règles de gestion d'un réservoir de production hydroélectrique mises à jour à l'aide de la programmation dynamique stochastique et d'un modèle hydrologique

L’entreprise Rio Tinto effectue la gestion du système hydrique de la rivière Nechako, situé en Colombie-Britannique (Canada), à partir de règles de gestion optimisées à l’aide d’un algorithme de programmation dynamique stochastique (PDS) et de scénarios d’apports historiques. Les récents développements en recherche opérationnelle tendent à démontrer que la mise à jour des règles de gestion en mode prévisionnel permet d’améliorer la performance des règles de gestion lorsque des prévisions d’ensemble sont utilisées pour mieux cerner les incertitudes associées aux apports à venir. La modélisation hydrologique permet de suivre l’évolution d’un ensemble de processus hydrologiques qui varient dans le temps et dans l’espace (réserve de neige, humidité du sol, etc.). L’utilisation de modèles hydrologiques, en plus d’offrir la possibilité de construire des prévisions d’ensemble qui tiennent compte de l’ensemble des processus simulés, permet de suivre l’évolution de variables d’état qui peuvent être utilisées à même l’algorithme d’optimisation pour construire les probabilités de transition utiles à l’évaluation de la valeur des décisions futures. À partir d’un banc d’essais numériques dans lequel le comportement du bassin versant de la rivière Nechako est simulé à l’aide du modèle hydrologique CEQUEAU, les résultats du présent projet démontrent que la mise à jour des règles avec l’algorithme de PDS en mode prévisionnel permet une amélioration de la gestion du réservoir Nechako lorsque comparée aux règles optimisées avec l’algorithme en mode historique. Le mode prévisionnel utilisant une variable hydrologique combinant un modèle autorégressif d’ordre 5 (AR5) et la valeur maximale de l’équivalent en eau de la neige (ÉENM) a permis de réduire les déversements non-productifs et les inondations tout en maintenant des productions similaires à celles obtenues à l’aide de règles optimisées en mode historique utilisant l’ÉENM comme variable hydrologique. De plus, les résultats du projet démontrent que l’utilisation de prévisions hydrologiques d’ensemble en mode historique pour construire une variable hydrologique permettant d’émettre une prévision du volume d’apport médian pour les huit mois à venir (PVAM) ne permettait pas d’obtenir des résultats de gestion supérieurs à ceux obtenus avec la variable d’ÉENM.

Reconnaître la dynamique des écosystèmes paysagers pour mieux saisir l’acceptabilité sociale des projets de développement éolien

Le développement de la production d’énergie éolienne et son transport fait partie des orientations du gouvernement québécois depuis plusieurs années, autant en ce qui a trait aux domaines énergétiques que de développement durable. L’implantation de parcs éoliens issus des appels d’offres d’Hydro-Québec se heurte pourtant à un certain degré d’opposition de la part des collectivités qui accueillent les infrastructures. Cette opposition fait en sorte qu’un appui majoritaire ne peut être observé pour aucun des projets. L’hypothèse de l’essai est que l’évaluation des paysages, dans le cadre des études d’impacts de parcs éoliens, demeure inadéquate, d’où le manque d’acceptabilité sociale ou tout au moins un des facteurs le déterminant. La considération du paysage comme faisant partie d’un écosystème dynamique est ici le moyen envisagé pour améliorer son évaluation lors des études d’impacts de parcs éoliens. L’objectif général de l’essai est ainsi d’explorer le concept d’écosystème paysager et d’évaluer dans quelle mesure il pourrait être mieux cerné par les outils traditionnels d’évaluation des projets. Les concepts d’écologie du paysage et d’acceptabilité sociale sont circonscrits afin d’identifier leur degré d’intégration aux outils québécois d’évaluation et de gestion qui encadrent le développement éolien. Une identification des bouleversements de l’écosystème paysager, occasionnés par les parcs éoliens, démontre qu’aucun des outils gouvernementaux ne permet d’assurer adéquatement l’intégrité naturelle ou anthropique du paysage. Trois projets québécois, réalisés entre 2012 et 2016, servent pour l’évaluation de liens entre les impacts de bouleversements à l’écosystème paysager, considérés lors des études d’impact, et leur acceptabilité sociale. Les valeurs de critères d’analyse, en lien aux impacts de bouleversements à l’écosystème paysager, sont comparées aux valeurs d’indices d’acceptabilité sociale à travers les trois projets. Les résultats démontrent que 49 % des critères d’analyse permettent d’expliquer en partie l’acceptabilité sociale observée pour les projets étudiés. 74 % des liens observés entre les critères d’analyse et les indices d’acceptabilité mettent en relation un impact négatif minimal (ou un impact positif maximal) sur l’écosystème paysager avec une acceptabilité sociale maximale. En considérant les résultats observés lors de l’étude des projets de développement éolien, certaines recommandations destinées aux autorités gouvernementales peuvent être faites afin d’assurer l’intégration du concept d’écosystème paysager à l’élaboration de parcs éoliens par les promoteurs. Une priorisation de l’étude des critères d’analyse en lien aux impacts de bouleversement à l’écosystème paysager doit être faite, autant dans les outils d’évaluation et de gestion que lors des discussions entre autorités municipales et promoteurs. Une amélioration de la mesure de l’acceptabilité sociale des projets de parcs éoliens dans les collectivités affectées doit également être faite, un effort d’information supplémentaire de la part des promoteurs et un échantillonnage plus représentatif de la population pouvant mener à une mesure plus objective de l’acceptabilité sociale.

Numerical simulation of fresh SCC flow in wall and beam elements using flow dynamics models

Abstract : Recently, there is a great interest to study the flow characteristics of suspensions in different environmental and industrial applications, such as snow avalanches, debris flows, hydrotransport systems, and material casting processes. Regarding rheological aspects, the majority of these suspensions, such as fresh concrete, behave mostly as non-Newtonian fluids. Concrete is the most widely used construction material in the world. Due to the limitations that exist in terms of workability and formwork filling abilities of normal concrete, a new class of concrete that is able to flow under its own weight, especially through narrow gaps in the congested areas of the formwork was developed. Accordingly, self-consolidating concrete (SCC) is a novel construction material that is gaining market acceptance in various applications. Higher fluidity characteristics of SCC enable it to be used in a number of special applications, such as densely reinforced sections. However, higher flowability of SCC makes it more sensitive to segregation of coarse particles during flow (i.e., dynamic segregation) and thereafter at rest (i.e., static segregation). Dynamic segregation can increase when SCC flows over a long distance or in the presence of obstacles. Therefore, there is always a need to establish a trade-off between the flowability, passing ability, and stability properties of SCC suspensions. This should be taken into consideration to design the casting process and the mixture proportioning of SCC. This is called “workability design” of SCC. An efficient and non-expensive workability design approach consists of the prediction and optimization of the workability of the concrete mixtures for the selected construction processes, such as transportation, pumping, casting, compaction, and finishing. Indeed, the mixture proportioning of SCC should ensure the construction quality demands, such as demanded levels of flowability, passing ability, filling ability, and stability (dynamic and static). This is necessary to develop some theoretical tools to assess under what conditions the construction quality demands are satisfied. Accordingly, this thesis is dedicated to carry out analytical and numerical simulations to predict flow performance of SCC under different casting processes, such as pumping and tremie applications, or casting using buckets. The L-Box and T-Box set-ups can evaluate flow performance properties of SCC (e.g., flowability, passing ability, filling ability, shear-induced and gravitational dynamic segregation) in casting process of wall and beam elements. The specific objective of the study consists of relating numerical results of flow simulation of SCC in L-Box and T-Box test set-ups, reported in this thesis, to the flow performance properties of SCC during casting. Accordingly, the SCC is modeled as a heterogeneous material. Furthermore, an analytical model is proposed to predict flow performance of SCC in L-Box set-up using the Dam Break Theory. On the other hand, results of the numerical simulation of SCC casting in a reinforced beam are verified by experimental free surface profiles. The results of numerical simulations of SCC casting (modeled as a single homogeneous fluid), are used to determine the critical zones corresponding to the higher risks of segregation and blocking. The effects of rheological parameters, density, particle contents, distribution of reinforcing bars, and particle-bar interactions on flow performance of SCC are evaluated using CFD simulations of SCC flow in L-Box and T-box test set-ups (modeled as a heterogeneous material). Two new approaches are proposed to classify the SCC mixtures based on filling ability and performability properties, as a contribution of flowability, passing ability, and dynamic stability of SCC.