Stabilité des barrages-poids en béton: contribution de la cohésion à la résistance de l'interface béton-rocher

Le contexte de ce projet de recherche est celui de la stabilité des barrages-poids et aborde le besoin d’évaluation de la résistance de l’interface béton-rocher. Puisqu’il est techniquement difficile d’évaluer si l’interface est liée ou non, la cohésion réelle et sa contribution à la résistance au cisaillement sont souvent négligées et ce sujet précis est peu abordé dans la littérature. Un lien direct peut être fait entre cette non-considération et des travaux de stabilisation réalisés sur des ouvrages hydrauliques. Cette étude a comme objectif la caractérisation de la cohésion réelle dans le but de déterminer s’il est sécuritaire d’incorporer sa contribution dans l’évaluation de stabilité des barrages-poids. Pour ce faire, il est nécessaire d’évaluer les comportements en traction et en cisaillement de l’interface et d’analyser comment ils sont affectés par des paramètres importants telle la rugosité de l’interface. Cette caractérisation est faite à l’aide d’un programme expérimental sur 66 répliques d’interfaces béton-rocher en mortier. La rugosité est évaluée à l’aide d’un profilomètre laser et du paramètre Z2. Les répliques ont fait l’objet d’essais de traction directe, de traction par pression de fluide et de cisaillement direct. L’influence de la rugosité d’interface et de la résistance à la compression uniaxiale (UCS) des matériaux sur les résistances à la traction et au cisaillement est évaluée grâce à l’analyse des variances (ANOVA). Des essais supplémentaires ont permis d’approfondir la compréhension du mécanisme de rupture en cisaillement. Les résultats indiquent une résistance à la traction moyenne de l’interface liée de 0,62 MPa et une cohésion (en cisaillement) moyenne de 3,1 MPa. L’ANOVA montre une augmentation significative de la résistance à la traction avec la rugosité et une augmentation significative de la résistance au cisaillement au pic avec la rugosité, l’UCS et la contrainte normale. Il a aussi été observé que le pas d’échantillonnage a un impact important sur la valeur de Z2. Les résultats suggèrent qu’une valeur minimale de cohésion de 100 à 200 kPa pourrait être utilisée dans la mesure où il peut être démontré que l’interface est liée. Cette condition pourrait d’ailleurs constituer un sujet de recherche s’inscrivant dans la continuité des travaux réalisés.

Évaluation de l’effet de "Streptococcus mutans" sur la qualité du fini de surface de matériaux dentaires de restauration

Objectif : Évaluer l’impact de l’exposition d’un biofilm de Streptococcus mutans (S. mutans) pendant une période de 28 jours sur la rugosité de surface de matériaux de restauration dentaire. Matériel et méthode : Les matériaux testés étaient : six résines composites (fluide, bulk-fill fluide, microparticules, nanoparticules, microhybride et nanohybride), un verre ionomère conventionnel, un verre ionomère modifié à la résine, de l’amalgame, du disilicate de lithium et de la porcelaine feldspathique renforcie de cristaux de nanoleucite. Cent soixante-dix-sept disques de 5 mm de diamètre par 2 mm d’épaisseur ont été fabriqués et polis selon une méthode standardisée. Des répliques ont été fabriquées puis réservées pour les mesures de rugosité. Les échantillons ont été stérilisés puis placés dans un milieu de culture pendant 28 jours, avec S. mutans pour les groupes tests et sans S. mutans pour leurs contrôles. Le milieu de culture a été renouvelé toutes les 48 heures. De nouvelles répliques des échantillons ont été fabriquées. Finalement, la rugosité de la surface avant et après l’exposition au biofilm a été évaluée sur les répliques à l’aide d’un profilomètre. Les analyses statistiques ont été effectuées à l’aide d’un modèle d’analyse de variance à deux facteurs. Résultats : Aucune différence statistiquement significative n’a été notée entre la rugosité initiale et finale des groupes tests et des groupes contrôles (p < 0,05). Conclusion : Dans les limites de cette étude in vitro, l’exposition à un biofilm de S. mutans pendant 28 jours n’a pas démontré avoir d’impact sur la rugosité des matériaux testés.

Investigation expérimentale du décollement dans l’aspirateur d’une turbine bulbe

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence.

Un modèle d'implantation d'une politique institutionnelle d'évaluation de l'enseignement

L'évaluation constitue le sujet de l'heure en éducation. Qui plus est, il s'agit davantage de l'évaluation des enseignants que de l'évaluation globale des systèmes éducatifs. Pour le dire en un mot, tout se passe comme si un très grand nombre d'intervenants croyait que si les enseignants étaient évalués, vraiment, tous les problèmes trouveraient leurs réponses. Il y a là une forme de conception "magique" de l'évaluation. Ludwig et Raddeau (cité par Costa,1987, p. 146) vont même plus loin en affirmant que "le genre humain est en quête de trois objectifs illusoires: la Fontaine de jeunesse, le Saint-Graal et le système d'évaluation parfait." Arthur Costa (Costa, 1987, p. 169) met en évidence, sur la base des diverses recherches faites en éducation , que "l'un des grands mythes de notre profession (éducation) a été que les pratiques d'évaluation de l'enseignement ont amélioré l'enseignement aux élèves. La plupart des politiques d'évaluation des districts ont cet énoncé comme préambule. Mais nous n'avons pas d'évidence que tel est le cas (Glickman cité par Costa, 1986). Pourtant l'évaluation constitue une nécessité, nous aurons l'occasion de le démontrer, aussi bien au plan de la gestion qu'à celui d'une intervention professionnelle de qualité. [...]

L’organisation Opale : comment un modèle d'organisation influence-t-il l'intégration du développement durable?

Depuis plus d’un siècle, les organisations dominent par d’imposantes structures hiérarchiques et bureaucratiques. Cependant, face aux pressions externes et à l’environnement de plus en plus complexe, certaines adoptent peu à peu des pratiques plus flexibles afin de s’adapter à ce contexte. Un modèle organisationnel se démarque particulièrement en modifiant complètement son design et sa culture. Développée par Frédéric Laloux, l’organisation Opale se base sur trois principes : l’autogouvernance, la plénitude ainsi que la raison d’être évolutive. Le modèle Opale intègre un nouveau paradigme organisationnel axé sur une vision du monde véritablement intégrée, systémique et cohésive. Face à ce renouveau, cette étude vise à comprendre l’influence de ce modèle vis-à-vis de l’intégration du développement durable. Ainsi, cet essai a permis de déterminer si les principes de durabilité sont appliqués à l’intérieur de ce modèle. En complément, l’application des principes a aussi été évaluée auprès de deux cas au Québec similaires au modèle Opale. Pour ce faire, un outil d’analyse qualitative a été développé avec l’aide de deux cadres en développement durable reconnus et largement appliqués en organisations, soit le Framework for Strategic Sustainable Development et le référentiel québécois BNQ 21000. La grille d’analyse inclut des critères à l’intérieur de quatre sphères du développement durable : gouvernance, sociale, environnementale et économique. Deux analyses distinctes ont donc été réalisées : la première porte sur le modèle Opale et l’autre traite des deux cas d’organisation comparables au modèle Opale. Suite aux évaluations, les constats sont sensiblement les mêmes. Les résultats démontrent que l’intégration se manifeste davantage dans les sphères de gouvernance et sociale, mais nettement moins à l’intérieur de celles économique et environnementale. En effet, la sphère sociale reçoit un résultat parfait et la sphère de gouvernance se démarque principalement auprès des critères d’influence et de transparence. Étant donné que l’organisation Opale est au service d’une raison d’être évolutive, la dimension économique reçoit une attention différente. En effet, chez les organisations Opales, l’économie n’est jamais une finalité en soi, mais un moyen pour réaliser leur mission. Sur le plan environnemental, on remarque que seules les initiatives qui émergent des individus permettent l’intégration de cette sphère dans les cas où celle-ci ne fait pas formellement partie de l’énoncé de mission. Enfin, suite aux résultats, des pistes de réflexion additionnelles seraient intéressantes à poursuivre. D’abord, il s’avèrerait pertinent d’explorer davantage la gouvernance interne dans l’intégration du développement durable, car son influence semble être éminente. De plus, il apparait pertinent de cibler des méthodes permettant l’intégration de façon soutenue de la sphère environnementale. D’autres discussions traitent de l’impact d’une centralisation autour de la raison d’être, des démarches permettant d’intégrer le développement durable et leur potentiel, l’ampleur d’une transition d’un modèle traditionnel à un modèle autogéré ainsi que la possibilité de combiner ces modèles.

Modélisation et analyse d'une machine à absorption/compression hybride fonctionnant à partir de rejets thermiques basse température

Les applications de réfrigération sont aujourd’hui majoritairement réalisées par des machines à compression alimentées en électricité. Animées à partir d’une source chaude, l’utilisation de machines à absorption permet d’utiliser très peu d’électricité comparée à une machine à compression et d’utiliser des réfrigérants écologiques. Le faible coefficient de performance et le coût élevé de ces machines est compensé par l’utilisation de rejets thermiques industriels destinés à être rejeté dans l’environnement et donc considérés comme gratuits. Le but de cette étude est de modéliser une machine à absorption hybride, utilisant le couple de fluide eau et ammoniac, en y ajoutant un compresseur ou booster dans la zone haute pression du circuit et d’évaluer ses performances. Cette modification crée une pression intermédiaire au désorbeur permettant de diminuer la température des rejets thermiques exploitables. Une température de rejets réutilisable de 50°C, contre 80°C actuellement, ouvrirait alors la voie à de nouvelles sources communes d’énergie. Le logiciel ASPEN Plus de simulation des procédés a été choisi afin de modéliser en régime permanent le système. Le modèle est en partie validé par l’étude expérimentale d’une machine à absorption commerciale de 10kW pour des applications de climatisation. Cette machine est située au Laboratoire des Technologies de l’Énergie d’Hydro-Québec. Ensuite, une étude de design permet de montrer, à puissance de réfrigération constante, les impacts bénéfiques de la technologie hybride sur le rendement exergétique, mais également sur la taille globale des échangeurs nécessaires. La technologie hybride est alors analysée économiquement face à une machine à absorption chauffée au gaz pour montrer sa rentabilité.

Étude du comportement des fluides magnétorhéologiques (MR) en compression-cisaillement simultanée

Les fluides magnétorhéologiques (MR) sont des fluides intelligents dont la viscosité apparente peut être modifiée rapidement (<1ms) par l'application d'un champ magnétique externe. À l'aide de cette caractéristique unique, les embrayages MR permettent de moduler rapidement un couple entre deux surfaces sans contact mécanique direct. De construction simple et robuste, les embrayages MR offrent ainsi un potentiel remarquable d'innovation pour diverses applications robotiques nécessitant un contrôle rapide et une haute fiabilité, comme dans les domaines de l'automobile [10], de l'aéronautique [16] ou de l'interaction humaine [77]. À ce jour, les embrayages MR exploitent le fluide MR strictement en cisaillement pur. Dans de telles conditions, la densité de couple des embrayages est limitée par l'optimisation de la mécanique des embrayages (ex. : poids) [63] et les propriétés fondamentales des fluides MR (ex. : contrainte) [11]. Alors qu'en cisaillement pur, la contrainte des fluides MR est limitée à ∼100 kPa, des études récentes démontrent qu'elle peut être augmentée d'un ordre de grandeur (>1000 kPa) lorsque le fluide MR est soumis à une compression, avant d'être cisaillé [89]. La combinaison de la compression et du cisaillement du fluide MR pourrait ainsi décupler la densité de couple des embrayages MR, mais ce phénomène d'agrégation assistée par compression, aussi appelé squeeze-strengthening ou super-strong} (SS), est toujours très mal compris. Beaucoup d'incertitude persiste quant à l'origine exacte du phénomène [45], des conditions qui le favorisent [55] [75] et des effets qu'il engendre [31]. Dans le but ultime d'augmenter la densité de couple des embrayages MR à l'aide du phénomène SS, le présent projet de recherche vise à étudier le comportement rhéologique des fluides MR dans des conditions de compression et de cisaillement simultané afin d'en comprendre les conditions qui favorisent le phénomène d'augmentation des contraintes. Pour ce faire, un banc d'essai permettant la compression pure, le cisaillement pur et la compression-cisaillement simultanée des fluides MR est conçu et utilisé pour étudier le fluide MR lorsque soumis à des conditions de chargement typique des embrayages MR. Les résultats expérimentaux issus de cette vaste étude expérimentale permettront d'établir un lien direct entre ce phénomène et le celui de filtration, duquel un modèle prédictif sera proposé. À l'aide du modèle théorique, le phénomène SS sera étudié à l'aide de diverses compositions de fluide MR (ex. : concentration, taille des particules, viscosité) et différentes géométries de compression, ce qui permettra de valoriser le modèle pour la conception préliminaire d'embrayages MR qui exploitent le phénomène SS.

Governmentality and exclusion in post-disaster spaces : conducting the conduct of the survivors of Typhoon Sendong in Cagayan de Oro, Philippines

Lorsque les aléas naturels se déroulent en catastrophes, les réponses des religieux, de l’Etat, et d’autres acteurs puissants dans une société révèlent à la fois les relations complexes entre ces parties et leur pouvoir dans la production des espaces auxquelles les survivants accèdent. La réponse en cas de catastrophe comprend la création d’espaces post-catastrophes, tels que des centres d’évacuation, des logements de transition et des sites de réinstallation permanente, qui ciblent spécifiquement un sous-ensemble particulier de survivants, et visent à les aider à survivre, à faire face, et à se remettre de la catastrophe. Les acteurs puissants dans une société dirigent les processus de secours, de récupération et de reconstruction sont des acteurs puissants qui cherchent à problématiser et à rendre un problème technique dans des termes qu’ils sont idéalement placés pour aborder à travers une variété d'interventions. Ce projet de recherche vise à répondre à la question: où les survivants d'une catastrophe reconstruisent-ils leurs vies et leurs moyens de subsistance? Il enquête sur un cas spécifique de la migration environnementale dans laquelle des dizaines de milliers d'habitants ont été déplacés de façon permanente et temporaire de leurs résidences habituelles après le typhon Sendong à Cagayan de Oro, Philippines en 2011. La recherche est basée sur des entretiens avec les acteurs puissants et les survivants, des vidéos participatives réalisées par des survivants pauvres urbains, et des activités de cartographie. L’étude se fonde sur la théorie féministe, les études de migration, les études dans la gouvernementalité, la recherche sur les changements de l’environnement planétaire, et les études régionales afin de situer les diverses expériences de la migration dans un contexte géographique et historique. Cette thèse propose une topographie critique dans laquelle les processus et les pratiques de production d’espaces post-catastrophe sont exposés. Parce que l’espace est nécessairement malléable, fluide, et relationnelle en raison de l'évolution constante des activités, des conflits, et des expériences qui se déroulent dans le paysage, une analyse de l'espace doit être formulée en termes de relations sociales qui se produisent dans et au-delà de ses frontières poreuses. En conséquence, cette étude explore comment les relations sociales entre les survivants et les acteurs puissants sont liées à l’exclusion, la gouvernementalité, la mobilité, et la production des espaces, des lieux et des territoires. Il constate que, si les trajectoires de migration de la plupart des survivants ont été confinés à l'intérieur des limites de la ville, les expériences de ces survivants et leur utilisation des espaces urbains sont très différentes. Ces différences peuvent être expliquées par des structures politiques, économiques, et sociales, et par les différences religieuses, économiques, et de genre. En outre, il fait valoir que les espaces post-catastrophe doivent être considérés comme des «espaces d’exclusion» où les fiduciaires exercent une rationalité gouvernementale. C’est-à-dire, les espaces post-catastrophe prétendument inclusives servent à marginaliser davantage les populations vulnérables. Ces espaces offrent aussi des occasions pour les acteurs puissants dans la société philippine d'effectuer des interventions gouvernementales dans lesquelles certaines personnes et les paysages sont simplifiées, rendues lisibles, et améliorés.

Faulkner revisited : narrating property, race, gender and history in William Faulkner's Go Down, Moses, Toni Morrison's Song of Solomon and Gloria Naylor's Mama Day

My thesis explores the formation of the subject in the novels of Faulkner’s Go Down, Moses, Toni Morrison’s Song of Solomon, and Gloria Naylor’s Mama Day. I attach the concept of property in terms of how male protagonists are obsessed with materialistic ownership and with the subordination of women who, as properties, consolidate their manhood. The three novelists despite their racial, gendered, and literary differences share the view that identity and truth are mere social and cultural constructs. I incorporate the work of Judith Butler and other poststructuralist figures, who see identity as a matter of performance rather than a natural entity. My thesis explores the theme of freedom, which I attached to the ways characters use their bodies either to confine or to emancipate themselves from the restricting world of race, class, and gender. The three novelists deconstruct any system of belief that promulgates the objectivity of truth in historical documents. History in the three novels, as with the protagonists, perception of identity, remains a social construct laden with distortions to serve particular political or ideological agendas. My thesis gives voice to African American female characters who are associated with love and racial and gender resistance. They become the reservoirs of the African American legacy in terms of their association with the oral and intuitionist mode of knowing, which subverts the male characters’ obsession with property and with the mainstream empiricist world. In this dissertation, I use the concept of hybridity as a literary and theoretical devise that African-American writers employ. In effect, I embark on the postcolonial studies of Henry Louise Gates, Paul Gilroy, W. E. B Du Bois, James Clifford, and Arjun Appadurai in order to reflect upon the fluidity of Morrison’s and Naylor’s works. I show how these two novelists subvert Faulkner’s essentialist perception of truth, and of racial and gendered identity. They associate the myth of the Flying African with the notion of hybridity by making their male protagonists criss-cross Northern and Southern regions. I refer to Mae Gwendolyn Henderson’s article on “Speaking in Tongues” in my analysis of how Naylor subverts the patriarchal text of both Faulkner and Morrison in embarking on a more feminine version of the flying African, which she relates to an ex-slave, Sapphira Wade, a volatile female character who resists fixed claim over her story and identity. In dealing with the concept of hybridity, I show that Naylor rewrites both authors’ South by making Willow Springs a more fluid space, an assumption that unsettles the scores of critics who associate the island with authenticity and exclusive rootedness.

Caractérisation du fonctionnement d'une hydrolienne à membrane ondulante pour la récupération de l'énergie des courants marins

This manuscript presents three approaches : analytical, experimental and numerical, to study the behaviour of a flexible membrane tidal energy converter. This technology, developed by the EEL Energy company, is based on periodic deformations of a pre-stressed flexible structure. Energy converters, located on each side of the device, are set into motion by the wave-like motion. In the analytical model, the membrane is represented by a linear beam model at one dimension and the flow by a 3 dimensions potential fluid. The fluid forces are evaluated by the elongated body theory. Energy is dissipated all over the length of the membrane. A 20th scale experimental prototype has been designed with micro-dampers to simulate the power take-off. Trials have allowed to validate the undulating membrane energy converter concept. A numerical model has been developed. Each element of the device is represented and the energy dissipation is done by dampers element with a damping law linear to damper velocity. Comparison of the three approaches validates their ability to represent the membrane behaviour without damping. The energy dissipation applied with the analytical model is clearly different from the two other models because of the location (where the energy is dissipated) and damping law. The two others show a similar behaviour and the same order of power take off repartition but value of power take off are underestimated by the numerical model. This three approaches have allowed to put forward key-parameters on which depend the behaviour of the membrane and the parametric study highlights the complementarity and the advantage of developing three approaches in parallel to answer industrial optimization problems. To make the link between trials in flume tank and sea trials, a 1/6th prototype has been built. To do so, the change of scale was studied. The behaviour of both prototypes is compared and differences could be explained by differences of boundary conditions and confinement effects. To evaluated membrane long-term behaviour at sea, a method of ageing accelerated by temperature and fatigue tests have been carried out on prototype materials samples submerged in sea water.

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.

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.