204 - Matériaux

La pénétration des ions chlorures est la cause physico-chimique essentielle qui réduit la durée de service des ouvrages en béton armé par corrosion des armatures. Elle dépend principalement des caractéristiques des matériaux et des conditions environnementales. Comme les dommages résultants de ce phénomène sont très importants financièrement, il parait essentiel d’améliorer la résistance du béton à la pénétration de cet agent agressif. A ce titre, la détermination du profil des concentrations en ions chlorures à l’intérieur de la matrice cimentaire est d’une importance majeure car elle permet d’évaluer le temps requis par les chlorures pour atteindre les armatures en quantité suffisante pour dépassiver l’acier.

L'objectif de ce travail  est donc de modéliser la pénétration des ions chlorures dans le béton et de quantifier  l’influence de l’enrobage et des paramètres climatiques sur la durée d’initiation de la corrosion dans les ouvrages en béton armé. 



Dans les alumineries modernes, les anodes précuites en carbone sont utilisées dans l’électrolyse pour la production de l’aluminium. Ces anodes sont fabriquées à partir d’une pâte qui contient des particules granulaires (coke, mégot, anodes recyclés) liées par un brai. Le brai de houille du goudron est le choix préféré comme matériau liant. La pâte est mélangée et compactée dans un premier temps pour produire des anodes crues. La cuisson de ces anodes est nécessaire pour leur utilisation dans la cuve d’électrolyse. Durant la cuisson, le brai est carbonisé. Les propriétés, la structure et la composition du brai ont un impact important sur les propriétés de l'anode, en particulier au cours de la carbonisation à la cuisson des anodes.

Il est important d’avoir une bonne connaissance de la chimie et de la structure des brais provenant des différentes sources ainsi que de l’interaction entre le brai et le coke pendant la cuisson. Cela mènera à une meilleure compréhension de ses propriétés liantes dans les anodes en carbone. Des différents brais ont été caractérisés en utilisant les différentes techniques telles que l’extraction par les solvants, la spectrométriephotoélectronique par rayons X (XPS) et la spectroscopie infrarouge à  transformation de Fourier (FTIR).La combinaison des résultats obtenus de ces différentes techniques fournit des renseignements complémentaires pour bien caractériser les brais. Dans cet article, ces techniques et les résultats de l’étude seront présentés.

Les anodes en carbone sont consommées dans le procédé de l’électrolyse pour la production de l’aluminium. La production des anodes commence par la préparation de la pâte qui est constituée des agrégats (coke de pétrole calciné, anodes cuites et crues recyclées, mégots) et du lien (brai de goudron de houille). La pâte préchauffée est mélangée et compactée afin de produire des anodes crues. Ces anodes sont cuites dans des grands fours de cuisson. Après leur refroidissement, elles sont utilisées dans les cuves d’électrolyse. L’homogénéité de la pâte est très importante pour une bonne distribution des constituants dans une anode, ce qui permet de produire des anodes de bonne qualité.

Une des méthodes utilisées pour déterminer la distribution des composantes (coke et d’autres particules granulaires, brai, pores) d’une anode est basée sur l’analyse des images prises par le microscope optique des échantillons carottés des anodes. Dans ce type d’applications, l’apparence noire du coke, du brai et des pores rend l’identification de ces composantes difficile. Une méthode est développée en utilisant la lumière polarisée et elle permet la détermination de la distribution de toutes les composantes dans une anode. Dans cet article, la méthode sera décrite et les résultats seront présentés démontrant son application à l’identification de différentes composantes des anodes.

Le traitement thermique du bois à haute température est effectué en le chauffant aux températures entre 180°C et 230°C. Le produit final possède des nouvelles propriétés comme meilleure stabilité dimensionnelle et résistance biologique contre les microorganismes, couleur foncée attirante. Le mécanisme de vieillissement du bois non traité a été étudié abondamment; cependant, il n’y a pas beaucoup d’information sur l’impact du vieillissement sur le bois traité thermiquement.

Les surfaces des échantillons du tremble non traité et traité thermiquement ont été soumises au vieillissement accéléré pour des périodes de 72 à 1512 heures. Ensuite, ces surfaces ont été analysées par le MEB et les tests de mouillabilité ont été effectués par la mesure des angles de contact sur ces surfaces afin de déterminer les changements dans la structure microscopique et les propriétés thermodynamiques en fonction de la période de vieillissement.

L’analyse des surfaces par le MEB a démontré clairement les changements structurels. Après le vieillissement de longues périodes, il n’y avait pas de différence significative par rapport à la dégradation des surfaces du bois non traité et traité thermiquement. La mouillabilité a augmenté avec le vieillissement dû probablement au développement des cracks sur la surface. La mouillabilité du bois traité thermiquement était moins que celle du bois non traité à cause de la réduction des contenus en extractives et hémicelluloses pendant le traitement thermique.



L’effet du vieillissement accéléré sur la modification de la couleur de la surface du tremble torréfié sous différentes températures de traitement thermique a été étudié avec un colorimètre (Datacolor, CHECK TM), et les résultats ont été analysés selon le système CIE-L*a*b*. L’impact du traitement thermique et du vieillissement accéléré sur la composition surfacique et la cristallinité de cellulose a été examiné avec XPS et FT-IR. Les résultats ont été comparés avec ceux du bois non traité.

Le spectre de XPS a montré que le rapport O/C augmente avec l’augmentation de la période du vieillissement, indiquant l’oxydation de la surface. On a trouvé que la surface du tremble torréfié devient riche en cellulose et pauvre en lignine dû à l’oxydation lors de vieillissement. Cela indique que la lignine est plus sensible au vieillissement que les autres composantes pour le tremble torréfié. La cristallinité de la surface du tremble torréfié a été trouvée plus élevée que celle du bois non traité pendant le vieillissement. Les résultats de l’analyse par FT-IR ont confirmé la sensibilité de la lignine au vieillissement pour le tremble torréfié et non traité. Donc, la lignine se détériore plus vite que les autres composantes lors de vieillissement. Par conséquence, les couleurs de la surface du bois torréfié et non traité devient plus pâles après une longue période de vieillissement.



Trois dendrimères de polyglycérol hyperbranchés de masses molaires moyennes égales à 500, 1100 et 1700 g.mol^-1, ont été obtenus par polymerisation d’un glycidol dérivé de l'huile de soja. L’incorporation de ces dendrimères dans la structure poreuse d’une montmorillonite sodifiée a abouti à l’obtention d’organo-argiles (NaMt-500, NaMt-1100 et NaMt-1700, respectivement). Celles-ci ont été utilisées comme adsorbants pour la capture réversible du CO₂. La capacité de rétention du CO₂ (CRC) a été évaluée par désorption à température programmée. La CRC augmente avec le nombre de groupement OH incorporés. Ces derniers se sont avérés être les principaux sites d'adsorption. Paradoxalement, l’augmentation du poid moléculaire et du pourcentage d’insertion du dendrimère n’accroît pas nécessairement la quantité de CO₂ adsorbées. Ceci serait dû à un renfermement de la structure dendrimérique sur elle-même, entraînant une chute considérable du nombre de groupements OH accessibles. La plus grande valeur de CRC a été obtenue sur les échantillons NaMt-500 à faibles teneurs en dendrimère (2.16 mmol.g^-1). La libération ultérieure du CO₂ nécessite des températures beaucoup plus basses, comparativement aux amines et autres composés analogues. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la préparation d’adsorbants efficaces pour la capture réversible de gaz à effets de serre, à partir de matériaux peu coûteux et respectueux de l'environnement tels que les argiles et les polyols d’origine végétale.

Le coût des matières premières est une préoccupation constante des acteurs du secteur de la plasturgie qui utilisent encore essentiellement des polymères dérivés du pétrole. Or, l’augmentation et les fluctuations fréquentes du prix du pétrole entraînent un risque sur la rentabilité des entreprises et forcent celles-ci à chercher des formulations dont le coût est plus stable. Ainsi, de nouvelles filières polymères apparaissent ; certains biopolyesters comme l’acide polylactique (PLA) ou les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont devenus des substituts réalistes aux polymères de commodité (PE, PP, PET, PVC), issus du pétrole, généralement non biodégradables et parfois difficilement recyclables. A l’heure actuelle, le coût des polyesters biosourcés diminue et l’écart, par exemple avec certains polyesters, tend à se réduire, offrant ainsi de réelles opportunités en termes d’innovations et de viabilité pour les nouvelles résines élaborées. Nos travaux portent actuellement sur le PLA, un biopolyester thermoplastique. Sa fragilité est bien connue et sa faible résistance à l’impact limite son utilisation dans de nombreuses applications. L’objectif de ce projet est de développer de nouvelles formulations à base de PLA pour la fabrication de pièces durables ou jetables. L’incorporation par extrusion de plastifiants et de polymères flexibles dans le PLA, qui est une méthode couramment employée au CTMP. Cette approche a conduit à des améliorations substantielles de la résistance à l’impact.

Le poly N-isopropylacrylamide (PNIPAM) est un polymère thermosensible très étudié dans le monde. Il possède une température inférieure critique de solubilité (LCST) d'environ 31°C ce qui lui confère des possibilités d'applications vastes et notamment en tant que nanovecteur. Se faisant, maîtriser sa LCST est quelque chose de particulièrement décisif dans le design de polymères. Des PNIPAM modifiés de manière téléchélique par des groupements azobenzènes ne présentent aucune modification de la LCST quand bien même on irradie ces PNIPAM pour effectuer la transition du trans azobenzène qui est apolaire au cis azobenzène qui lui est très polaire. Dans cette communication, nous avons synthétisé et caractérisé des solutions aqueuses de PNIPAM où des groupement azobenzènes ont été ajoutés de manière régulièrement espacés dans les chaînes de PNIPAM et  ces azobenzènes ont eu un effet topologique permettant de former des micelles fleurs et de faire presque disparaître le point de trouble.

L’utilisation de fibres naturelles pour la fabrication de matériaux fonctionnels à structures microcellulaires permet d’obtenir des matériaux relativement nouveaux aux propriétés uniques. Cette classe de matériaux est en constante évolution car elle combine les coûts et les performances mécaniques d’une matrice thermoplastique avec ceux des fibres naturelles. Les applications visées par ces composites sont principalement celles des industries de l’emballage, de la construction et des transports. En dépit du fort développement des composites à fibres synthétiques ou artificielles, ces derniers n’ont jamais éclipsé l’intérêt porté aux fibres naturelles. Toutefois, les propriétés particulières des mousses microcellulaires renforcées par des fibres naturelles n’ont pas été totalement étudiées et comprises. Dans cette étude, des composites formés de polyéthylène de haute densité et de fibres de lin ont été moussés en injection avec un agent moussant chimique. Les matériaux obtenus forment clairement des structures sandwichs : c’est-à-dire un cœur moussé entre deux peaux non-moussées. Dans un premier temps, la morphologie des échantillons a été observée par microscopie afin de déterminer la taille des bulles et la densité cellulaire, ainsi que les épaisseurs de chaque couche. De plus, la masse volumique et les propriétés mécaniques en traction, flexion, torsion et impact ont été analysées en vue de compléter la caractérisation de ces nouveaux matériaux.

Face à la pression démographique croissante dans le monde et aux besoins d’aménagement subséquents, l’amélioration des sols en place constitue une alternative durable aux fondations profondes. Si les méthodes traditionnelles d’amélioration des sols ont été éprouvées, l’idée d’un renforcement de sol par biocalcification a émergé il y a une douzaine d’années. Le principe repose sur l’injection de bactéries, d’urée et d’un sel de calcium, qui conduit à la formation d'un précipité de calcite dans le milieu encaissant. D’un point de vue géotechnique, la littérature fait état d'applications possibles pour la prévention de la liquéfaction, la stabilisation de pentes, le renforcement de voies de chemins de fer ou encore de mines par chambres et piliers.
Si les perspectives d'application sont importantes, les premières recherches se sont toutefois focalisées sur les phénomènes biologiques et les performances mécaniques des sols renforcés n'ont été abordées que très succinctement par la caractérisation de la résistance à la compression simple, des essais de cisaillement direct et quelques essais triaxiaux consolidés, drainés ou non.
Suite à ce constat, un programme expérimental de caractérisation mécanique de matériaux améliorés par biocalcification a été mis en place à l'École Polytechnique de Montréal. La communication proposée vise ainsi à présenter les résultats des essais de laboratoire réalisés sur des échantillons de sables, ainsi qu'une loi de comportement qui en résulte.

Ce travail donne les résultats de 30 mélanges de bétons drainants confectionnés avec un ciment GU, trois types de granulats de calcaire broyés de 2,5-10mm (f₁₀), 5-14mm (f₁₄) et 10-20mm (f₂₀) et trois combinaison binaires et un rapport E/C de 0,30. Pour chaque mélange la masse volumique, la résistance à la compression et traction, la porosité effective et la perméabilité ont été évalués. L’effet de deux niveaux d’énergie de consolidation a été également apprécié. Pour les granulats considérés nous avons varié le rapport entre le volume de pâte et la porosité inter-granulaire (V_P/G_VI) de 30% à 80% afin d’évaluer l’effet du volume de pâte sur les différentes propriétés. Les résultats de nos investigations ont montrés que le f_max a un effet négligeable sur les propriétés mécaniques. Par ailleurs la quantité des particules fines ainsi que la distribution granulométrique (coefficient d’uniformité, coefficient de conformité) influence ces dernières de façon générale. Une porosité d’au moins de 18 % est nécessaire pour assurer la perméabilité minimale requise (1mm/sec). Les résultats ont également montré une nette amélioration des propriétés mécaniques avec l’augmentation du volume de pâte et de l’énergie de consolidation. En considérant les paramètres de notre étude nous avons trouvés que l’intervalle de volume de pâte sur le volume de vide susceptible d’octroyer un béton drainant fonctionnel est compris entre 30 et 60% (V_P/G_VI). 

L’acide polylactique (PLA) est un biopolyester thermoplastique dont l’intérêt croissant tient à son caractère renouvelable et à sa biodégradabilité. Ses faibles propriétés thermomécaniques  limitent son utilisation pour la fabrication de pièces techniques. Au cours de cette présentation, nous décrivons une approche  pour améliorer ses performances mécaniques à des températures proches de la température de transition vitreuse du PLA. Cette approche repose sur l’ajout de fibres naturelles qui servent de renfort à la matrice polymère de type PLA. Une bonne  compatibilité entre les fibres naturelles et la matrice est primordiale et dépend principalement de l’existence d’interactions physiques et chimiques entre les deux entités. Si de telles interactions prévalent, alors les gains en termes de propriétés thermomécaniques seront élevés. L’ajout de fibres naturelles viendra également diminuer le coût de revient du matériau final. Cette présentation a pour objectif de préciser les différentes stratégies employées par le Centre de technologie minérale et de plasturgie (CTMP) pour améliorer les propriétés du PLA et la compatibilité des fibres naturelles avec ce polymère.



L’auscultation des ouvrages en béton précontraint par post-tension pose un défi technique important puisque l’armature et les gaines de précontrainte, noyées dans le béton, se révèlent difficilement accessibles. Or, l’état des câbles de précontrainte et l’injection des gaines constituent des indicateurs critiques de la condition et de la durée de vie résiduelle de ce type d’ouvrage. Afin de jeter un meilleur éclairage sur les approches envisageables, l’article propose d’abord une revue critique de la documentation sur les méthodes d’évaluation non destructives existantes. En regard des limites rapportées et des besoins identifiés, trois techniques d’auscultation ont été étudiées. Dans une première phase, l’endoscopie et la méthode impact-écho ont été expérimentées de manière complémentaire pour l’auscultation de corps d’épreuve fabriqués en laboratoire et de portions de poutres de ponts démantelés. Dans la seconde phase des travaux, la technique d’auscultation radar a été expérimentée sur des corps d’épreuve de configurations variées et fabriqués avec des gaines en polymère afin d’évaluer la capacité de détection, de localisation et d’identification physique des composantes internes. Suite à la description des approches méthodologiques mises en œuvre, des résultats typiques sont présentés et des recommandations sont émises quant aux conditions d’utilisation les plus favorables et aux limites d’interprétation propres aux méthodes d’auscultation considérées. 

Le choix des matériaux utilisés
dans la construction repose sur des critères techniques identifiables et
quantifiables tels la résistance mécanique, le comportement chimique ou le
transfert de chaleur, paramètres qui permettent non seulement de satisfaire les
exigences opérationnelles de l'ouvrage, mais aussi d'en garantir la durabilité
et la durée de vie utile attendues. Quoi qu'il en soit, ces critères ne sont
aujourd’hui plus suffisants: énergie grise, analyse de cycle de vie, incidence
sur l’environnement, qualité environnementale des constructions, etc. sont de
nouveaux facteurs qui interviennent dans le caractère « durable » des
constructions. L’ingénieur se doit désormais d'intégrer ces considérations dans
le dimensionnement et la réalisation des ouvrages, ce qui constitue un réel
challenge pour l’avenir.