Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Optimisation de l'extraction, en réacteur "batch", de biomasse énergétique à l'aide d'émulsions ultrasoniques de solvants verts

L’industrie des biocarburants de deuxième génération utilise, entre autre, la biomasse lignocellulosique issue de résidus forestiers et agricoles et celle issue de cultures énergétiques. Le sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] fait partie de ces cultures énergétiques. L’intérêt croissant de l’industrie agroalimentaire et des biocarburants pour cette plante est dû à sa haute teneur en sucres (jusqu’à 60% en masse sèche). En plus de se développer rapidement (en 5-6 mois), le sorgho sucré a l’avantage de pouvoir croître sur des sols pauvres en nutriments et dans des conditions de faibles apports en eau, ce qui en fait une matière première intéressante pour l’industrie, notamment pour la production de bioéthanol. Le concept de bioraffinerie alliant la production de biocarburants à celle de bioénergies ou de bioproduits est de plus en plus étudié afin de valoriser la production des biocarburants. Dans le contexte d’une bioraffinerie exploitant la biomasse lignocellulosique, il est nécessaire de s’intéresser aux différents métabolites extractibles en plus des macromolécules permettant la fabrication de biocarburants et de biocommodités. Ceux-ci pouvant avoir une haute valeur ajoutée et intéresser l’industrie pharmaceutique ou cosmétique par exemple. Les techniques classiques pour extraire ces métabolites sont notamment l’extraction au Soxhlet et par macération ou percolation, qui sont longues et coûteuses en énergie. Ce projet s’intéresse donc à une méthode d’extraction des métabolites primaires et secondaires du sorgho sucré, moins coûteuse et plus courte, permettant de valoriser économiquement l’exploitation industrielle du de cette culture énergétique. Ce travail au sein de la CRIEC-B a porté spécifiquement sur l’utilisation d’une émulsion ultrasonique eau/carbonate de diméthyle permettant de diminuer les temps d’opération (passant à moins d’une heure au lieu de plusieurs heures) et les quantités de solvants mis en jeu dans le procédé d’extraction. Cette émulsion extractive permet ainsi de solubiliser à la fois les métabolites hydrophiles et ceux hydrophobes. De plus, l’impact environnemental est limité par l’utilisation de solvants respectueux de l’environnement (80 % d’eau et 20 % de carbonate de diméthyle). L’utilisation de deux systèmes d’extraction a été étudiée. L’un consiste en la recirculation de l’émulsion, en continu, au travers du lit de biomasse; le deuxième permet la mise en contact de la biomasse et des solvants avec la sonde à ultrasons, créant l’émulsion et favorisant la sonolyse de la biomasse. Ainsi, en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion eau/DMC, à 370 mL.min[indice supérieur -1], au sein du lit de biomasse, l’extraction est de 37,91 % en 5 minutes, ce qui est supérieur à la méthode ASTM D1105-96 (34,01 % en 11h). De plus, en réacteur « batch – piston », où la biomasse est en contact direct avec les ultrasons et l’émulsion eau/DMC, les meilleurs rendements sont de 35,39 % en 17,5 minutes, avec 15 psig de pression et 70 % d’amplitude des ultrasons. Des tests effectués sur des particules de sorgho grossières ont donné des résultats similaires avec 30,23 % d’extraits en réacteur « batch » avec recirculation de l’émulsion (5 min, 370 mL.min[indice supérieur -1]) et 34,66 % avec le réacteur « batch-piston » (30 psig, 30 minutes, 95 % d’amplitude).

Amélioration de la représentation des processus stochastiques pour l'optimisation appliquée à la gestion des systèmes hydriques

Dans un contexte de pression toujours plus grande sur les ressources naturelles, une gestion rationnelle des ressources hydriques s'impose. La principale difficulté de leur gestion provient du caractère aléatoire des apports en eau dans le système. Le sujet de cette recherche consiste à développer des méthodes d'optimisation stochastique capable de bien représenter les processus aléatoires. Le cas de Kemano, située en Colombie-Britannique (Canada), illustre les travaux de recherche. L'importante accumulation de neige sur les bassins versants engendre une hydrologie complexe, rendant la gestion du système délicate. La programmation dynamique stochastique est la méthode la plus utilisée pour déterminer la politique de gestion des réservoirs. Mais, son étude fait ressortir que cette méthode ne peut gérer que des modèles simplifiés des processus stochastiques, ne rendant pas compte des complexes corrélations spatio-temporelles des apports hydriques. Ainsi, la politique obtenue peut être de mauvaise qualité. Cette méthode est comparée avec la recherche directe de politique qui n'utilise pas de modèles pour représenter les processus stochastiques, mais évalue la politique sur des scénarios d'apports. Ainsi la recherche directe de politique se révèle globalement plus performante en prenant bien en considération la complexité des apports, mais est limitée par la forme prédéterminée de la politique. De plus, l'optimisation des paramètres en utilisant un algorithme évolutionnaire s'avère lente. La conception d'un algorithme de descente par gradient, combinée à une architecture "acteur-critique" appropriée, permet de réduire notablement le temps d'optimisation. Combinée à une fonction plus complexe employée pour la paramétrisation de la politique de gestion, la méthode permet d'obtenir une politique de qualité significativement supérieure à celle obtenue avec la programmation dynamique stochastique. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie à une application opérationnelle de la méthode de recherche directe de politique. L'évaluation en simulation devrait être appréciée des opérateurs en permettant une bonne représentation du système et des apports.

Retrofit de systèmes de revalorisation de chaleur industrielle à basse température par optimisation exergo-économique

Ce projet porte, dans un souci d’efficacité énergétique, sur la récupération d’énergie des rejets thermiques à basse température. Une analyse d’optimisation des technologies dans le but d’obtenir un système de revalorisation de chaleur rentable fait objet de cette recherche. Le but sera de soutirer la chaleur des rejets thermiques et de la réappliquer à un procédé industriel. Réduire la consommation énergétique d’une usine entre habituellement en conflit avec l’investissement requis pour les équipements de revalorisation de chaleur. Ce projet de maitrise porte sur l’application d’optimisations multiobjectives par algorithme génétique (GA) pour faciliter le design en retrofit des systèmes de revalorisation de chaleur industrielle. L’originalité de cette approche consiste à l’emploi du «fast non-dominant sorting genetic algorithm» ou NSGA-II dans le but de trouver les solutions optimales entre la valeur capitale et les pertes exergétiques des réseaux d’échangeurs de chaleur et de pompes à chaleur. Identifier les solutions optimales entre le coût et l’efficacité exergétique peut ensuite aider dans le processus de sélection d’un design approprié en considérant les coûts énergétiques. Afin de tester cette approche, une étude de cas est proposée pour la récupération de chaleur dans une usine de pâte et papier. Ceci inclut l’intégration d’échangeur de chaleur Shell&tube, d’échangeur à contact direct et de pompe à chaleur au réseau thermique existant. Pour l’étude de cas, le projet en collaboration avec Cascades est constitué de deux étapes, soit de ciblage et d’optimisation de solutions de retrofit du réseau d’échangeur de chaleur de l’usine de tissus Cascades à Kinsley Falls. L’étape de ciblage, basée sur la méthode d’analyse du pincement, permet d’identifier et de sélectionner les modifications de topologie du réseau d’échangeurs existant en y ajoutant de nouveaux équipements. Les scénarios résultants passent ensuite à l’étape d’optimisation où les modèles mathématiques pour chaque nouvel équipement sont optimisés afin de produire une courbe d’échange optimal entre le critère économique et exergétique. Pourquoi doubler l’analyse économique d’un critère d’exergie? D’abord, parce que les modèles économiques sont par définition de nature imprécise. Coupler les résultats des modèles économiques avec un critère exergétique permet d’identifier des solutions de retrofit plus efficaces sans trop s’éloigner d’un optimum économique. Ensuite, le rendement exergétique permet d’identifier les designs utilisant l’énergie de haute qualité, telle que l’électricité ou la vapeur, de façon plus efficace lorsque des sources d’énergie de basse qualité, telles que les effluents thermiques, sont disponibles. Ainsi en choisissant un design qui détruit moins d’exergie, il demandera un coût énergétique moindre. Les résultats de l’étude de cas publiés dans l’article montrent une possibilité de réduction des coûts en demande de vapeur de 89% tout en réduisant la destruction d’exergie de 82%. Dans certains cas de retrofit, la solution la plus justifiable économiquement est également très proche de la solution à destruction d’exergie minimale. L’analyse du réseau d’échangeurs et l’amélioration de son rendement exergétique permettront de justifier l’intégration de ces systèmes dans l’usine. Les diverses options pourront ensuite être considérées par Cascades pour leurs faisabilités technologiques et économiques sachant qu’elles ont été optimisées.

Optimisation thermodynamique d’un procédé solaire utilisant un système de réfrigération à éjecto-compression pour la production du froid

L’objectif essentiel de cette thèse est de développer un système industriel de réfrigération ou de climatisation qui permet la conversion du potentiel de l’énergie solaire en production du froid. Ce système de réfrigération est basé sur la technologie de l’éjecto-compression qui propose la compression thermique comme alternative économique à la compression mécanique coûteuse. Le sous-système de réfrigération utilise un appareil statique fiable appelé éjecteur actionné seulement par la chaleur utile qui provient de l’énergie solaire. Il est combiné à une boucle solaire composée entre autres de capteurs solaires cylindro-paraboliques à concentration. Cette combinaison a pour objectif d’atteindre des efficacités énergétiques et exergétiques globales importantes. Le stockage thermique n’est pas considéré dans ce travail de thèse mais sera intégré au système dans des perspectives futures. En première étape, un nouveau modèle numérique et thermodynamique d’un éjecteur monophasique a été développé. Ce modèle de design applique les conditions d’entrée des fluides (pression, température et vitesse) et leur débit. Il suppose que le mélange se fait à pression constante et que l’écoulement est subsonique à l’entrée du diffuseur. Il utilise un fluide réel (R141b) et la pression de sortie est imposée. D’autre part, il intègre deux innovations importantes : il utilise l'efficacité polytropique constante (plutôt que des efficacités isentropiques constantes utilisées souvent dans la littérature) et n’impose pas une valeur fixe de l'efficacité du mélange, mais la détermine à partir des conditions d'écoulement calculées. L’efficacité polytropique constante est utilisée afin de quantifier les irréversibilités au cours des procédés d’accélérations et de décélération comme dans les turbomachines. La validation du modèle numérique de design a été effectuée à l’aide d’une étude expérimentale présente dans la littérature. La seconde étape a pour but de proposer un modèle numérique basé sur des données expérimentales de la littérature et compatible à TRNSYS et un autre modèle numérique EES destinés respectivement au capteur solaire cylindro-parabolique et au sous-système de réfrigération à éjecteur. En définitive et après avoir développé les modèles numériques et thermodynamiques, une autre étude a proposé un modèle pour le système de réfrigération solaire à éjecteur intégrant ceux de ses composantes. Plusieurs études paramétriques ont été entreprises afin d’évaluer les effets de certains paramètres (surchauffe du réfrigérant, débit calorifique du caloporteur et rayonnement solaire) sur sa performance. La méthodologie proposée est basée sur les lois de la thermodynamique classique et sur les relations de la thermodynamique aux dimensions finies. De nouvelles analyses exergétiques basées sur le concept de l’exergie de transit ont permis l'évaluation de deux indicateurs thermodynamiquement importants : l’exergie produite et l’exergie consommée dont le rapport exprime l’efficacité exergétique intrinsèque. Les résultats obtenus à partir des études appliquées à l’éjecteur et au système global montrent que le calcul traditionnel de l’efficacité exergétique selon Grassmann n’est désormais pas un critère pertinent pour l'évaluation de la performance thermodynamique des éjecteurs pour les systèmes de réfrigération.

Optimisation de l’extraction de lumière de scintillation dans les matrices de détecteurs pixellisés pour des applications en tomographie d’émission par positrons (TEP) et en tomodensitométrie (TDM)

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.

Développement des bétons autoplaçants à faible teneur en poudre, Éco-BAP: formulation et performance

Abstract : Although concrete is a relatively green material, the astronomical volume of concrete produced worldwide annually places the concrete construction sector among the noticeable contributors to the global warming. The most polluting constituent of concrete is cement due to its production process which releases, on average, 0.83 kg CO[subscript 2] per kg of cement. Self-consolidating concrete (SCC), a type of concrete that can fill in the formwork without external vibration, is a technology that can offer a solution to the sustainability issues of concrete industry. However, all of the workability requirements of SCC originate from a higher powder content (compared to conventional concrete) which can increase both the cost of construction and the environmental impact of SCC for some applications. Ecological SCC, Eco-SCC, is a recent development combing the advantages of SCC and a significantly lower powder content. The maximum powder content of this concrete, intended for building and commercial construction, is limited to 315 kg/m[superscript 3]. Nevertheless, designing Eco-SCC can be challenging since a delicate balance between different ingredients of this concrete is required to secure a satisfactory mixture. In this Ph.D. program, the principal objective is to develop a systematic design method to produce Eco-SCC. Since the particle lattice effect (PLE) is a key parameter to design stable Eco-SCC mixtures and is not well understood, in the first phase of this research, this phenomenon is studied. The focus in this phase is on the effect of particle-size distribution (PSD) on the PLE and stability of model mixtures as well as SCC. In the second phase, the design protocol is developed, and the properties of obtained Eco-SCC mixtures in both fresh and hardened states are evaluated. Since the assessment of robustness is crucial for successful production of concrete on large-scale, in the final phase of this work, the robustness of one the best-performing mixtures of Phase II is examined. It was found that increasing the volume fraction of a stable size-class results in an increase in the stability of that class, which in turn contributes to a higher PLE of the granular skeleton and better stability of the system. It was shown that a continuous PSD in which the volume fraction of each size class is larger than the consecutive coarser class can increase the PLE. Using such PSD was shown to allow for a substantial increase in the fluidity of SCC mixture without compromising the segregation resistance. An index to predict the segregation potential of a suspension of particles in a yield stress fluid was proposed. In the second phase of the dissertation, a five-step design method for Eco-SCC was established. The design protocol started with the determination of powder and water contents followed by the optimization of sand and coarse aggregate volume fractions according to an ideal PSD model (Funk and Dinger). The powder composition was optimized in the third step to minimize the water demand while securing adequate performance in the hardened state. The superplasticizer (SP) content of the mixtures was determined in next step. The last step dealt with the assessment of the global warming potential of the formulated Eco-SCC mixtures. The optimized Eco-SCC mixtures met all the requirements of self-consolidation in the fresh state. The 28-day compressive strength of such mixtures complied with the target range of 25 to 35 MPa. In addition, the mixtures showed sufficient performance in terms of drying shrinkage, electrical resistivity, and frost durability for the intended applications. The eco-performance of the developed mixtures was satisfactory as well. It was demonstrated in the last phase that the robustness of Eco-SCC is generally good with regards to water content variations and coarse aggregate characteristics alterations. Special attention must be paid to the dosage of SP during batching.

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.