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.

Vibrational spectroscopy of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type (na)phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes: Part 14. The infrared and Raman characteristics of phthalocyanine in “pinwheel-like” homoleptic bis[1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyaninato] rare earth(III) double-decker complexes

The infrared (IR) spectroscopic data and Raman spectroscopic properties for a series of 13 “pinwheel-like” homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth complexes M[Pc(α-OC5H11)4]2 [M = Y and Pr–Lu except Pm; H2Pc(α-OC5H11)4 = 1,8,15,22-tetrakis(3-pentyloxy)phthalocyanine] have been collected and comparatively studied. Both the IR and Raman spectra for M[Pc(α-OC5H11)4]2 are more complicated than those of homoleptic bis(phthalocyaninato) rare earth analogues, namely M(Pc)2 and M[Pc(OC8H17)8]2, but resemble (for IR) or are a bit more complicated (for Raman) than those of heteroleptic counterparts M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4], revealing the decreased molecular symmetry of these double-decker compounds, namely S8. Except for the obvious splitting of the isoindole breathing band at 1110–1123 cm−1, the IR spectra of M[Pc(α-OC5H11)4]2 are quite similar to those of corresponding M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] and therefore are similarly assigned. With laser excitation at 633 nm, Raman bands derived from isoindole ring and aza stretchings in the range of 1300–1600 cm−1 are selectively intensified. The IR spectra reveal that the frequencies of pyrrole stretching and pyrrole stretching coupled with the symmetrical CH bending of –CH3 groups are sensitive to the rare earth ionic size, while the Raman technique shows that the bands due to the isoindole stretchings and the coupled pyrrole and aza stretchings are similarly affected. Nevertheless, the phthalocyanine monoanion radical Pc′− IR marker band of bis(phthalocyaninato) complexes involving the same rare earth ion is found to shift to lower energy in the order M(Pc)2 > M(Pc)[Pc(α-OC5H11)4] > M[Pc(α-OC5H11)4]2, revealing the weakened π–π interaction between the two phthalocyanine rings in the same order.

Tuning the valence of the cerium center in (Na)phthalocyaninato and porphyrinato cerium double-deckers by changing the nature of the tetrapyrrole ligands

A series of 7 cerium double-decker complexes with various tetrapyrrole ligands including porphyrinates, phthalocyaninates, and 2,3-naphthalocyaninates have been prepared by previously described methodologies and characterized with elemental analysis and a range of spectroscopic methods. The molecular structures of two heteroleptic \[(na)phthalocyaninato](porphyrinato) complexes have also been determined by X-ray diffraction analysis which exhibit a slightly distorted square antiprismatic geometry with two domed ligands. Having a range of tetrapyrrole ligands with very different electronic properties, these compounds have been systematically investigated for the effects of ligands on the valence of the cerium center. On the basis of the spectroscopic (UV−vis, near-IR, IR, and Raman), electrochemical, and structural data of these compounds and compared with those of the other rare earth(III) counterparts reported earlier, it has been found that the cerium center adopts an intermediate valence in these complexes. It assumes a virtually trivalent state in cerium bis(tetra-tert-butylnaphthalocyaninate) as a result of the two electron rich naphthalocyaninato ligands, which facilitate the delocalization of electron from the ligands to the metal center. For the rest of the cerium double-deckers, the cerium center is predominantly tetravalent. The valences (3.59−3.68) have been quantified according to their LIII-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) profiles.

Raman spectroscopic characteristics of phthalocyanine and naphthalocyanine in sandwich-type phthalocyaninato and porphyrinato rare earth complexes Part 5. – Raman spectroscopic characteristics of naphthalocyanine in mixed [tetrakis(4-tert-butylphenyl)porphyrinato]-(naphthalocyaninato) rare earth double-deckers

Raman spectra were recorded in the range 400–1800 cm−1 for a series of 15 mixed \[tetrakis(4-tert-butylphenyl)porphyrinato](2,3-naphthalocyaninato) rare earth double-deckers M(TBPP)(Nc) (M = Y; La–Lu except Pm) using laser excitation at 632.8 and 785 nm. Comparisons with bis(naphthalocyaninato) rare earth counterparts reveal that the vibrations of the metallonaphthalocyanine M(Nc) fragment dominate the Raman features of M(TBPP)(Nc). When excited with radiation of 632.8 nm, the most intense vibration appears at about 1595 cm−1, due to the naphthalene stretching. These complexes exhibit the marker Raman band for Nc•− as a medium-intense band in the range 1496–1507 cm−1, attributed to the coupling of pyrrole and aza stretching, while the marker Raman band of Nc2− in intermediate-valence Ce(TBPP)(Nc) appears as a strong band at 1493 cm−1 and is due to the isoindole stretchings. By contrast, when excited with radiation of 785 nm that is in close resonance with the main Q absorption band of the naphthalocyanine ligand, the ring radial vibrations at ca 680 and 735 cm−1 for MIII(TBPP)(Nc) are selectively intensified and are the most intense bands. For the cerium double-decker, the most intense vibration also acting as the marker Raman band of Nc2− appears at 1497 cm−1 with contributions from both pyrrole CC and aza CN stretches. The same vibrational modes show weak to medium intensity scattering at 1506–1509 cm−1 for MIII(TBPP)(Nc) and this is the marker Raman band of Nc•− when thus excited. The scatterings due to the Nc breathings, ring radial vibration, aza group stretchings, naphthalene stretchings, benzoisoindole stretchings and the coupling of pyrrole CC and aza CN stretchings in MIII(TBPP)(Nc) are all slightly blue shifted along with the decrease in rare earth ionic radius, confirming the effects of increased ring–ring interactions on the Raman characteristics of naphthalocyanine in the mixed ring double-deckers.

Response and damage evaluation of reinforced concrete frames subjected to blast loading

Bomb attacks carried out by terrorists, targeting high occupancy buildings, have become increasingly common in recent times. Large numbers of casualties and property damage result from overpressure of the blast followed by failing of structural elements. Understanding the blast response of multi-storey buildings and evaluating their remaining life have therefore become important. Response and damage analysis of single structural components, such as columns or slabs, to explosive loads have been examined in the literature, but the studies on blast response and damage analysis of structural frames in multi-storey buildings is limited and this is necessary for assessing the vulnerability of them. This paper investigates the blast response and damage evaluation of reinforced concrete (RC) frames, designed for normal gravity loads, in order to evaluate their remaining life. Numerical modelling and analysis were carried out using the explicit finite element software, LS DYNA. The modelling and analysis takes into consideration reinforcement details together and material performance under higher strain rates. Damage indices for columns are calculated based on their residual and original capacities. Numerical results generated in the can be used to identify relationships between the blast load parameters and the column damage. Damage index curve will provide a simple means for assessing the damage to a typical multi-storey building RC frame under an external bomb circumstance.