Concrete deterioration due to sulfide-bearing aggregates

Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l’oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d’eau et d’oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l’acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d’abord, la fiabilité de l’approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST,% en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu’une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d’être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d’autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d’oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l’expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d’oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d’évaluer quantitativement le potentiel d’oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d’oxygène dans la partie supérieure d’un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d’oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d’oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d’épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d’oxygène consommé. Finalement, un protocole d’évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d’oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d’un plus large éventail de granulats.

Impacts des dépositions atmosphériques de fer sur les assemblages phytoplanctoniques et la production de diméthylsulfure dans le Pacifique Nord-Est contemporain et dans le contexte de l’acidification des océans

La croissance du phytoplancton est limitée par les faibles concentrations de fer (Fe) dans près de 40% de l’océan mondial. Le Pacifique subarctique Nord-Est représente une de ces zones limitées en fer et désignées High Nutrient - Low Chlorophyll (HNLC). Cet écosystème, dominé par des cellules de petite taille telles les prymnésiophytes, est caractérisé par de très faibles concentrations estivales de chlorophylle a et de fortes concentrations de macronutriments. Il a été maintes fois démontré que les ajouts de fer, sous différentes formes chimiques (habituellement FeSO4), dans les zones HNLC, stimulent la croissance et modifient la structure des communautés planctoniques en favorisant la croissance des cellules de grande taille, notamment les diatomées. Ces effets sur la communauté planctonique ont le potentiel d’influencer les grands mécanismes régulateurs du climat, tels la pompe biologique de carbone et la production de diméthylsulfure (DMS). Les poussières provenant des déserts du nord de la Chine sont reconnues depuis longtemps comme une source sporadique importante de fer pour le Pacifique Nord-Est. Malgré leur importance potentielle, l’influence directe exercée par ces poussières sur l’écosystème planctonique de cette zone HNLC n’a jamais été étudiée. Il s’agit d’une lacune importante puisque le fer associé aux poussières est peu soluble dans l’eau de mer, que la proportion biodisponible n’est pas connue et que les poussières peuvent avoir un effet inhibiteur chez le phytoplancton. Cette thèse propose donc, dans un premier temps, de mesurer pour la première fois l’effet de la fertilisation de la communauté planctonique du Pacifique Nord-Est par un gradient de concentrations de poussières désertiques naturelles. Cette première expérimentation a démontré que le fer contenu dans les poussières asiatiques est biodisponible et qu’une déposition équivalente à celles prenant place au printemps dans le Pacifique Nord-Est peut résulter en une stimulation significative de la prise de nutriments et de la croissance du phytoplancton. Mes travaux ont également montré que l’ajout de 0,5 mg L-1 de poussières peut résulter en la production d’autant de biomasse algale que l’ajout de FeSO4, l’espèce chimique utilisée lors des expériences d’enrichissement en fer à grande échelle. Cependant, les ajouts de FeSO4 favorisent davantage les cellules de petite taille que les ajouts de poussières, observation démontrant que le FeSO4 n’est pas un proxy parfait des poussières asiatiques. Dans un deuxième temps, je me suis intéressée à une source alternative de fer atmosphérique, les cendres volcaniques. Mon intérêt pour cette source de fer a été attisé par les observations d’une floraison spectaculaire dans le Pacifique Nord-Est, ma région d’étude, associée à l’éruption de 2008 du volcan Kasatochi dans les îles Aléoutiennes. Forte de mon expérience sur les poussières, j’ai quantifié l’effet direct de ces cendres volcaniques sur la communauté planctonique du Pacifique Nord-Est. Mes résultats ont montré que le fer contenu dans les cendres volcaniques est également biodisponible pour le phytoplancton. Ils ont également montré que cette source de fer peut être aussi importante que les poussières désertiques dans la régulation de la croissance du phytoplancton dans cette partie de l’océan global à l’échelle millénaire. Dans un troisième temps, j’ai estimé comment l’acidification des océans modulera les réponses des communautés planctoniques aux dépositions naturelles de fer mises en évidence lors de mes expériences précédentes. Pour ce faire, j’ai effectué des enrichissements de poussière dans de l’eau de mer au pH actuel de 8.0 et dans l’eau de mer acidifiée à un pH de 7.8. Mes résultats ont montré une diminution du taux de croissance du phytoplancton dans le milieu acidifié mais pas de changement notable dans la structure de la communauté. Les ajouts de poussières et de cendres, de même que les variations de pH, n’ont pas eu d’effet significatif sur la production de DMS et de son précurseur le diméthylsulfoniopropionate (DMSP), probablement en raison de la courte durée (4 jours) des expériences. L’ensemble des résultats de cette thèse montre que le fer contenu dans diverses sources atmosphériques naturelles est biodisponible pour le phytoplancton du Pacifique Nord-Est et que des taux de déposition réalistes peuvent stimuler la croissance de manière notable dans les premiers jours suivant une tempête désertique ou une éruption volcanique. Finalement, les résultats de mes expériences à stresseurs multiples Fer/acidification suggèrent une certaine résistance des communautés phytoplanctoniques à la diminution du pH prédite d’ici la fin du siècle pour les eaux de surface des océans.

Réponse de la végétation riveraine et littorale aux variations forcées de niveaux d’eau lacustres dans les Laurentides méridionales

La végétation riveraine et littorale de l’est du Canada a été sévèrement altérée par la drave et plusieurs barrages lacustres subsistent, mais leurs effets et ceux de leur retrait sont peu documentés. Cette étude visait à: i) mesurer les changements de la structure et de la composition végétale des zones riveraines et littorales en fonction de l’élévation par rapport au plan d’eau, ii) évaluer le temps de retour de la végétation à son état de référence naturel suite au retrait de barrages et iii) déterminer les facteurs régissant les réponses de la végétation à ces variations de niveaux d’eau. La structure et la composition végétale suite à la restauration d’un barrage a été comparée sur deux lacs : un témoin et un comprenant quatre bassins présentant un gradient d’influence du barrage. Suite au retrait de barrage, la végétation a été examinée sur quatre lacs, dont un témoin. Les principaux facteurs qui influençaient la végétation riveraine et littorale en présence d’un barrage étaient l’élévation actuelle par rapport au lac et l’ampleur de l’influence du barrage. Suite à un démantèlement de barrage, les principaux facteurs d’influence étaient l’élévation par rapport au rivage et le nombre d’années depuis le retrait de barrage. En présence d’un barrage, la végétation riveraine était caractérisée par la transformation de hautes terres en forêt humide riveraine qui partageait des caractéristiques avec le témoin. À partir de 1 m d’élévation, la végétation était caractérisée par une forêt sèche. Dans les premières années suivant le retrait de barrage, la végétation littorale était composée d’herbiers submergés mixtes à faible densité avec une forte diversité spécifique près du rivage. La structure et la composition végétale étaient similaires au témoin après 16 ans. Il n’y avait pas d’évidence que les communautés végétales déviaient de leur trajectoire successionnelle naturelle sous l’influence des nouvelles conditions environnementales.

Traitement du ruissellement routier chargé en sels de déglaçage et en métaux lourds par un marais épurateur construit et adapté

Depuis la construction de l’autouroute 40 dans les années 70 (tronçon Félix-Leclerc), le lac Saint-Augustin s’est grandement enrichi en sels de déglaçage et en métaux lourds. Un marais épurateur construit et adapté (MECA), dans lequel ont été intégrées des plantes halophytes, a donc été implanté afin traiter une partie des eaux de ruissellement provenant de l’autouroute. Le comportement et l’efficacité de ce dernier ont été évalués afin de déterminer si cette technologie était en mesure de pallier à la problématique de contamination. Les observations et les analyses ont permis d’établir que les plantes halophytes sont mal adaptées aux conditions environnementales du MECA et que seulement environ 1% des sels sont emmagasinés dans les plantes. Les concentrations mesurées dans les eaux ont montré que le MECA est efficace pour emmagasiner du sel de déglaçage, principalement en période de temps sec, mais que les quantités accumulées sont peu significatives par rapport aux quantités introduites.

Développement d'un matériau photocatalytique pour l'oxydation de méthanol dans l'eau

La photocatalyse est un procédé d’oxydation avancé très intéressant puisqu’il ne nécessite l’ajout d’aucun réactif chimique. Beaucoup de compagnies souhaitent utiliser ce procédé pour le traitement des gaz et des eaux. Les services Exp inc. est une compagnie qui s’intéresse à la dégradation des composés organiques volatils en milieu aqueux. Ils ont comme objectif d’améliorer leurs technologies et d’en développer de nouvelles comme la photocatalyse. L’objectif ce de projet de maîtrise est de développer un matériau capable d‘oxyder le méthanol en phase aqueuse. Le développement d’un tel photocatalyseur permet d’évaluer systématiquement l’impact de toutes les modifications apportées à un matériau de base et d’en comprendre les bénéfices. Le matériau préparé est basé sur des nanotiges de WO3 synthétisées par voie hydrothermale où l’on ajoute des nanoparticules de TiO2 pour former un composé mixte. Un co-catalyseur de réduction, le platine, est ajouté par photodéposition sur le composé TiO2/WO3. Le produit est finalement traité à l’hydrogène pour en augmenter l’activité catalytique. Pour tester les matériaux, un réacteur photocatalytique a été conçu. Le réacteur possède deux configurations, soit une avec une lampe ultraviolette plongée dans l’eau et une avec une bande de diodes électroluminescentes bleues autour du réacteur. Les modifications, telles que le traitement sous hydrogène et l’ajout de platine, augmentent considérablement l’activité des photocatalyseurs. Les nanotiges de WO3 possèdent une faible surface spécifique offrant donc une activité inférieure à un autre composé avec plus de surface. L’activité des photocatalyseurs est plus faible que celles desprocédés utilisant du peroxyde. Cependant, plusieurs avantages sont remarqués. La photocatalyse se fait à pH neutre et il est possible d’utiliser de la lumière visible. Un matériau photocatalytique basé sur des nanoparticules de WO3 à haute surface spécifique avec du TiO2, du platine et traité à l’hydrogène pourrait offrir une avenue intéressante pour Exp inc.

Mise en valeur des résidus du concentrateur de la mine Niobec par la flottaison de l’apatite

L’usine Niobec traite un minerai de pyrochlore porteur de niobium pour produire le ferro-niobium utilisé pour la fabrication d’acier. L’usine récupère environ 60% des minéraux de niobium. Les rejets contiennent du niobium et d’autres espèces minérales potentiellement valorisables. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à identifier les espèces pouvant être valorisées dans les rejets de Niobec dont les plus prometteurs sont les éléments de terres rares, les minéraux de niobium et l’apatite. Dans le but de concentrer l’apatite des rejets de l’usine, une analyse chimique des rejets a permis de cibler comme flux d’intérêt les particules de dimension supérieure à 0,038mm dans le concentré de carbonates et les rejets du circuit de flottation du pyrochlore. La méthode utilisée pour valoriser les phosphates est la flottation. Les meilleurs résultats ont été obtenus par flottation directe des minéraux de phosphate du concentré de carbonates dans les rejets de Niobec. Le collecteur utilisé est un acide gras de type AERO 6493 avec un mélange d’amidon de tapioca et de NaOH utilisé comme déprimant pour les carbonates. Ces conditions ont permis de produire un concentré d’apatite titrant entre 30 à 32 % P2O5 avec un rendement de 50 à 60% du P2O5 contenue dans le concentré de carbonates. La teneur en MgO dans le concentré d’apatite est comprise entre 3 et 4% comparativement à 15% dans l’alimentation. Puisque le MgO est principalement associé à la dolomie ces résultats confirment une bonne dépression de ce minéral lors de la flottation de l’apatite du concentré de carbonates. La flottation de l’apatite à partir des rejets du pyrochlore n’a pas permis d’obtenir un concentré de valeur commerciale. Le meilleur résultat obtenu lors des essais de flottation sur les rejets pyrochlore correspond à une teneur de 14%avec un rendement de 53% P2O5. Les résultats obtenus montrent toutefois le potentiel associé à la récupération des minéraux de phosphates et justifient la poursuite des travaux, cette fois, moins exploratoires que les travaux rapportés dans ce mémoire.

Synthèse et caractérisation des matériaux nanostructurés et leur mise en oeuvre comme photocatalyseurs pour la dégradation du glyphosate en milieux aqueux

L’utilisation des pesticides n’a cessé d’augmenter en particulier le glyphosate, herbicide utilisé principalement dans l’agriculture. Ses effets ont été démontrés néfastes sur l’environnement et sur la santé humaine. Bien que la plupart du glyphosate résiduel soit adsorbé par les constituants du sol, une partie peut être désorbée ou atteindre les eaux de surface par érosion. Le renforcement des normes de qualité de l’eau en milieu agricole et urbain entraîne le développement de nouveaux procédés. Les photocatalyseurs à base de TiO2 peuvent procurer une solution attrayante pour l’élimination de cet herbicide. Actif uniquement dans le domaine de l’UV qui représente 4% du rayonnement solaire, étendre cette réactivité photocatalytique dans le domaine du visible est un enjeu majeur. Le dopage du TiO2 à l’azote et au graphène a permis une élimination totale du glyphosate au bout de 30 minutes. Après sa synthèse, le photocatalyseur GR-N/TiO2 a été caractérisé par différentes techniques à savoir la diffraction des rayons X (DRX), l’infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et la microscopie électronique par transmission (TEM). L’activité photocatalytique est testée sur la dégradation du glyphosate sous irradiation de la lumière visible. Les résultats montrent que le composite GR-N/TiO2 peut effectivement photodégrader le glyphosate grâce à une amélioration impressionnante de l’activité photocatalytique due à une grande adsorption du glyphosate sur le nanomatériau synthétisé et à l’extension de l’absorption au domaine du visible.

Dynamique de l'oxygène et l'activité microbienne dans les lacs de fonte du pergélisol subarctique

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l’oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l’été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d’ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d’autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L’érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l’air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l’oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d’eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques.

Foresterie urbaine : recensement mondial des publications, situation actuelle et besoins de recherche des municipalités canadiennes

L’arbre en ville offre plusieurs bienfaits, et ce, même s’il est souvent confronté à des conditions de vie difficiles. Au cours des années, la foresterie urbaine a suscité plusieurs travaux de recherches. Ce projet visait à faire un recensement des publications scientifiques de recherche en foresterie urbaine, à faire l’état de la situation des municipalités en matière de foresterie urbaine et à identifier les besoins de recherche en foresterie urbaine des municipalités canadiennes de 5 000 habitants et plus. Le premier objectif a été réalisé en utilisant plusieurs bases de données d’articles scientifiques et des mots clefs en foresterie urbaine. Un sondage pancanadien a permis de réaliser les deux autres objectifs. Le recensement que nous avons effectué des publications en foresterie urbaine depuis 1800 a montré, comme pour les publications scientifiques en général, mais de façon encore plus marquée, un accroissement de leur nombre ces dernières années. Ce recensement a aussi permis de révéler que les préoccupations de recherche touchent surtout l’effet des arbres sur la santé humaine et la qualité de l’air. L’identification des besoins de recherche réalisée auprès des responsables des espaces verts a permis de constater qu’il y avait toujours place pour la recherche dans ce domaine. Les municipalités veulent connaître, entre autres, quelles espèces d’arbres sont adaptées à l’environnement urbain, quel est l’effet des arbres sur le ruissellement des eaux de pluie et sur la santé humaine. Nous avons aussi constaté qu’il y avait un manque de transfert de connaissances entre les chercheurs et les responsables d’espaces verts ou que les recherches menées ne répondent pas aux besoins exprimés par les répondants. Le présent mémoire a permis de mieux cerner les besoins de recherche des municipalités canadiennes et permettra aux chercheurs de mieux définir les priorités de recherche en foresterie urbaine.

Les stratégies d’exploitation de l’archipel côtier du Labrador : une étude de cas du 18e siècle au site d’Ikkeghasarsuk

La fin du 18e siècle était une période dynamique au Labrador. À cette époque, le phénomène climatique nommé le Petit Âge glaciaire affectait grandement l’étendue de la banquise côtière. L’arrivée des missionnaires et des objets européens enclencha une réorganisation des rôles sociaux chez les Inuits. L’établissement hivernal d’Ikkeghasarsuk, connu sous le code Borden HdCg-23 et le nom de site officiel Koliktalik-6, est composé principalement de deux maisons semi-souterraines construites avant 1776 sur un site dorsétien. La présente étude explore les stratégies d’occupation du territoire par l’analyse des restes fauniques de ces deux maisons. Les espèces de phoques chassées et leurs niches écologiques indiquent que les occupants du site exploitaient surtout les phoques présents dans les eaux libres de glace à l’automne, les phoques annelés au sina l’hiver et les phoques annelés sur la banquise côtière au printemps. Le site d’Ikkeghasarsuk, placé sur une île dénudée et balayée par le vent, aurait permis d’avoir un accès privilégié aux ressources marines diverses, peu importe les conditions climatiques.