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.

Performance of concrete incorporating amorphous silica residue and biomass fly ash

L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton.

Rapid separation of biologically important low molecular weight compounds by microchip electrophoresis and ultra-fast performance liquid chromatography

The research work in this thesis reports rapid separation of biologically important low molecular weight compounds by microchip electrophoresis and ultrahigh liquid chromatography. Chapter 1 introduces the theory and principles behind capillary electrophoresis separation. An overview of the history, different modes and detection techniques coupled to CE is provided. The advantages of microchip electrophoresis are highlighted. Some aspects of metal complex analysis by capillary electrophoresis are described. Finally, the theory and different modes of the liquid chromatography technology are presented. Chapter 2 outlines the development of a method for the capillary electrophoresis of (R, S) Naproxen. Variable parameters of the separation were optimized (i.e. buffer concentration and pH, concentration of chiral selector additives, applied voltage and injection condition).The method was validated in terms of linearity, precision, and LOD. The optimized method was then transferred to a microchip electrophoresis system. Two different types of injection i.e. gated and pinched, were investigated. This microchip method represents the fastest reported chiral separation of Naproxen to date. Chapter 3 reports ultra-fast separation of aromatic amino acid by capillary electrophoresis using the short-end technique. Variable parameters of the separation were optimized and validated. The optimized method was then transferred to a microchip electrophoresis system where the separation time was further reduced. Chapter 4 outlines the use of microchip electrophoresis as an efficient tool for analysis of aluminium complexes. A 2.5 cm channel with linear imaging UV detection was used to separate and detect aluminium-dopamine complex and free dopamine. For the first time, a baseline, separation of aluminium dopamine was achieved on a 15 seconds timescale. Chapter 5 investigates a rapid, ultra-sensitive and highly efficient method for quantification of histamine in human psoriatic plaques using microdialysis and ultrahigh performance liquid chromatography with fluorescence detection. The method utilized a sub-two-micron packed C18 stationary phase. A fluorescent reagent, 4-(1-pyrene) butyric acid N-hydroxysuccinimide ester was conjugated to the primary and secondary amino moieties of histamine. The dipyrene-labeled histamine in human urine was also investigated by ultrahigh pressure liquid chromatography using a C18 column with 1.8 μm particle diameter. These methods represent one of the fastest reported separations to date of histamine using fluorescence detection.

Studies on the persistence of estradiol benzoate and nortestosterone decanoate in hair of cattle following treatment with growth promoters, determined by ultra-high-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry

Measurement of steroid esters in bovine hair samples, using sensitive liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), provides a powerful tool for identifying animals treated illicitly with growth promoters. The successful application of such testing requires appropriate sampling of hair from treated animals. This paper describes the results of hair analysis by LC-MS/MS for two animal studies in which animals were treated with estradiol-3-benzoate and nortestosterone decanoate. The results from the first animal study indicate that animals treated with these anabolic steroids may not always be identified from analysis of hair samples; positive test results occur sporadically and only for some of the treated animals. The results from the second animal study identify conditions attaching to positive hair samples, such as, that concentrations of steroid esters in hair are related to distance of sampling from point of injection and to time post-treatment, that concentrations of steroid esters in hair are related to dose given to the animal but that this relationship may vary over time post-treatment, and that steroid esters may be measured in regrowth hair taken some weeks after treatment. Steroid esters are determined along the length of the hair, confirming that accumulation of steroid esters into hair occurs from various sources, including blood, sweat and sebum. The reported research provides some useful insights into the mechanisms governing the persistence of steroid esters in bovine hair following illicit treatment with growth promoters. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Assessment of fibre orientation in ultra high performance fibre reinforced concrete and its effect on flexural strength

Fibre distribution and orientation in a series of round panel specimens of ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) was investigated using electrical resistivity measurements and confirmed by X-ray CT imaging. By pouring specimens in different ways, the orientation of steel fibres was influenced and the sensitivity of the electrical resistivity technique was investigated. The round panels were tested in flexure and the results are discussed in relation to the observed orientation of fibres in the panels. It was found that the fibres tended to align perpendicular to the direction of flow. As a result, panels poured from the centre were significantly stronger than panels poured by other methods because the alignment of fibres led to more fibres bridging the radial cracks formed during mechanical testing.

Influence of aggregate and curing regime on the mechanical properties of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC)

A new generation of concrete, Ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) has been developed for its outstanding mechanical performance and shows a very promising future in construction applications. In this paper, several possibilities are examined for reducing the price of producing UHPFRC and for bringing UHPFRC away from solely precast applications and onto the construction site as an in situ material. Recycled glass cullet and two types of local natural sand were examined as replacement materials for the more expensive silica sand normally used to produce UHPFRC. In addition, curing of UHPFRC cubes and prisms at 20 degrees C and 90 degrees C has been investigated to determine differences in both mechanical and ductility.

Validation of an ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry method for detection and quantitation of 19 endocrine disruptors in milk

An endocrine disruptor (ED) is an exogenous compound that interferes with the body's endocrine system. Exposure to EDs may result in adverse health effects such as infertility and cancer. EDs are composed of a vast group of chemicals including compounds of natural origin such as phytoestrogens or mycotoxins and a wide range of man-made chemicals such as pesticides. Synthetic compounds may find their way into the food chain where a number of them can biomagnify. Additionally, processing activities and food contact materials may add further to the already existing pool of food contaminants. Thus, our diet is considered to be one of the main exposure routes to EDs. Some precautionary legislation has already been introduced to control production and/or application of some persistent organic pollutants with ED characteristics. However, newly emerging EDs with bioaccumulative properties have recently been reported to appear at lower tiers of the food chain but have not been monitored at the grander scale. Milk and dairy products are a major component of our diet, thus it is important to monitor them for EDs. However, most methods developed to date are devoted to one group of compounds at a time. The UHPLC-MS/MS method described here has been validated according to EC decision 2002/657/EC and allows simultaneous extraction, detection, quantitation and confirmation of 19 EDs in milk. The method calibration range is between 0.50 and 20.0 μg kg with coefficients of determination above 0.99 for all analytes. Precision varied from 4.7% to 23.4% in repeatability and reproducibility studies. Established CCα and CCβ values (0.11-0.67 μg kg) facilitate fast, reliable, quantitative and confirmatory analysis of sub μg kg levels of a range of EDs in milk.

Hydrophilic Interaction Ultra-High Performance Liquid Chromatography Coupled with Triple-Quadrupole Mass Spectrometry for Determination of Nucleosides and Nucleobases in Animal Horns

Traditional Chinese Medicines (TCMs) derived from animal horns are one of the most important types of Chinese medicine. In the present study, a fast and sensitive analytical method was established for qualitative and quantitative determination of 14 nucleosides and nucleobases in animal horns using hydrophilic interaction ultra-high performance liquid chromatography coupled with triple-quadruple tandem mass spectrometry (HILIC-UPLC-QQQ-MS/MS) in selective reaction monitoring (SRM) mode. The method was optimized and validated, and showed good linearity, precision, repeatability, and accuracy. The method was successfully used to determine contents of the 14 nucleosides and nucleobases in 25 animal horn samples. Hierarchical clustering analysis (HCA) and principal component analysis (PCA) were performed and the 25 samples were thereby divided into two groups, which agreed with taxonomy. The method may enable quick and effective search of substitutes for precious horns.

Characterization of metabolites of sweroside in rat urine using ultra-high-performance liquid chromatography combined with electrospray ionization quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry and NMR spectroscopy

Sweroside, a major active iridoid in Swertia pseudochinensis Hara, is recognized as an effective agent in the treatment of liver injury. Based on previous reports, the relatively short half-life (64 min) and poor bioavailability (approximately 0.31%) in rats suggested that not only sweroside itself but also its metabolites could be responsible for the observed hepato-protective effect. However, few studies have been carried out on the metabolism of sweroside. Therefore, the present study aimed at identifying the metabolites of sweroside in rat urine after a single oral dose (100 mg/kg). With ultra-high-performance liquid chromatography coupled with electrospray ionization quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry (UHPLC/Q-TOF-MS), the metabolic profile revealed 11 metabolites in rat urine, including phase I, phase II and aglycone-related products. The chemical structures of metabolites were proposed based on accurate mass measurements of protonated or deprotonated molecules and their fragmentation patterns. Our findings showed that the aglycone of sweroside (M05) and its glucuronide conjugate (M06) were principal circulating metabolites in rats. While several other metabolic transformations, occurring via reduction, N-heterocyclization and N-acetylation after deglycosylation, were also observed. Two metabolites (M05 and M06) were isolated from the rat urine for structural elucidation and identifcation of reaction sites. Both M05 and M06 were characterized by 1H, 13C and two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. UHPLC/Q-TOF-MS analysis has provided an important analytical platform to gather metabolic profile of sweroside.

Ultra high performance supercritical fluid chromatography coupled with tandem mass spectrometry for screening of doping agents. II: Analysis of biological samples.

The potential and applicability of UHPSFC-MS/MS for anti-doping screening in urine samples were tested for the first time. For this purpose, a group of 110 doping agents with diverse physicochemical properties was analyzed using two separation techniques, namely UHPLC-MS/MS and UHPSFC-MS/MS in both ESI+ and ESI- modes. The two approaches were compared in terms of selectivity, sensitivity, linearity and matrix effects. As expected, very diverse retentions and selectivities were obtained in UHPLC and UHPSFC, proving a good complementarity of these analytical strategies. In both conditions, acceptable peak shapes and MS detection capabilities were obtained within 7min analysis time, enabling the application of these two methods for screening purposes. Method sensitivity was found comparable for 46% of tested compounds, while higher sensitivity was observed for 21% of tested compounds in UHPLC-MS/MS and for 32% in UHPSFC-MS/MS. The latter demonstrated a lower susceptibility to matrix effects, which were mostly observed as signal suppression. In the case of UHPLC-MS/MS, more serious matrix effects were observed, leading typically to signal enhancement and the matrix effect was also concentration dependent, i.e., more significant matrix effects occurred at the lowest concentrations.