The Fate of Dwarf Galaxies in Clusters and the Origin of Intracluster Stars

This thesis presents a review of related important concepts in cosmology followed by details of the author's role in a research project on the origin of intracluster light. The author's role in the development of the simulations varied from searching parameters in the literature, through writing and modifying code in IDL, FORTRAN, and UNIX to carrying out hundreds of simulations using the particle-particle algorithm described in this thesis, as well as partaking in joint analysis of the simulation results. Part of this work in the isolated cluster simulations has been submitted for publication (Barai, Brito & Martel 2009). The main results of the simulations described in this thesis are: 1) destruction of dwarf galaxies by mergers dominates destruction by tides, and 2) destruction of galaxies by tides is sufficient to explain the observed intracluster light. These results support the accepted explanation for the origin of the intracluster light. In an ongoing, second stage of the simulation, which extends the isolated cluster results to a cosmologically significant region of the Universe, the author similarly assists in the implementation of a particle-particle/particle-mesh simulation and the joint analysis of the results to-date. The results are as per the Schechter luminosity function, and suggest the approach used is valid and the results obtained robust.Comment: Master's thesis, 78 page

Effet d'un programme de réadaptation sur le niveau de douleur et d'incapacité de personnes souffrant de tendinopathie de la coiffe des rotateurs

La douleur à l’épaule touche environ 20% de la population. Parmi les douleurs à l’épaule, la tendinopathie de la coiffe des rotateurs est l’atteinte la plus fréquente. À ce jour, les mécanismes impliqués dans la rémission de la tendinopathie sont encore peu connus. Ce projet visait à évaluer l’efficacité d’une intervention axée sur l’entrainement moteur et évaluer l’impact de cette intervention sur la distance acromiohumérale (DAH). Vingt-cinq participants souffrant d’une tendinopathie de la coiffe des rotateurs ont pris part à une intervention axée sur l’entrainement moteur. L’intervention comptait dix traitements en physiothérapie en plus d’un programme d’exercices à domicile et s’échelonnait sur six semaines. À la suite de l’intervention, les participants souffrant de tendinopathie ont vu leur niveau de douleur et d’incapacité diminuer significativement. De plus, la DAH a augmenté significativement lors de l’élévation du membre supérieur. Les résultats de cette étude démontrent un potentiel de l’utilisation de l’entrainement moteur en physiothérapie dans le traitement des tendinopathies de la coiffe des rotateurs.Shoulder pain affects more than 20% of the population. Amongst shoulder pathologies, rotator cuff (RC) tendinopathy is the more prevalent cause of pain. However, little is known about the underlying mechanisms that lead to healing of such pathology. The current project aimed at assessing the efficacy of a physiotherapy intervention centered on movement training and assessing the impact of such intervention on the acromiohumeral distance (AHD). Twenty-five subjects suffering from unilateral RC tendinopathy underwent the intervention. The intervention consisted of ten supervised physiotherapy sessions and a home exercise program over a 6-week period. Following the intervention there was a significant decrease in pain and disability levels. Further, a significant increase in AHD during arm elevation was observed. The results of the present study suggest potential for motor training as a useful approach in physiotherapy for the treatment of RC tendinopathies

Performance improvement of SS-WDM passive optical networks using semiconductor optical amplifiers: Modeling and experiment

Les sources incohérentes sont proposées comme alternatives aux lasers stabilisés en longueur d'onde pour réduire le coût des réseaux optiques passifs utilisant le multiplexage par longueur d'onde découpée dans le spectre (SS-WDM PONs). À cause de leur nature incohérente, ces sources génèrent au récepteur un large bruit d'intensité. Ce bruit limite l'efficacité spectrale et/ou le taux binaire pouvant être achevé. Cette thèse étudie l'utilisation des amplificateurs optique à semi-conducteur SOAs pour nettoyer le bruit d'intensité. De plus, lors de cette thèse, nous explorons les outils numériques et expérimentaux qui nous permettent d'analyser les performances des SOAs dans le cadre de systèmes de communication multi-canaux, incluant le SS-WDM. Nous présentons des modèles mathématiques pour le bruit d'intensité, ce bruit étant celui qui limite les performances des systèmes de communication utilisant des sources incohérentes. Nous discutons les dynamiques complexes des SOAs et présentons les équations qui gouvernent l'évolution des porteurs de charges dans ces amplificateurs. Nous identifions et soulignons l'effet des paramètres les plus importants, qui affectent le processus ainsi que la dynamique de nettoyage du bruit d'intensité. Nous passons en revue, les différentes techniques de nettoyage de bruit avec les SOAs, qui ont démontré les meilleurs résultats connus. De plus, nous effectuons une revue de littérature poussée pour ce qui a attrait au problème de post-filtrage lorsque le SOA est placé au transmetteur, avant la modulation. Notre première contribution pendant ce travail de recherche est de démontrer, en utilisant l'intermodulation de gain d'un SOA au récepteur pour convertir le signal incohérent en laser cohérent, une amélioration significative du taux d'erreur binaire BER. Cette méthode est spectralement efficace, d'autant plus qu'elle ne souffre point la limitation occasionnée par le post-filtrage au récepteur. En contre partie elle nécessite un ample budget de puissance qui doit assurer une saturation suffisante de l'amplificateur au récepteur. Une source laser est aussi nécessaire au récepteur. Ceci est un inconvénient, même si une telle source n'ait pas besoin d'une quelconque stabilisation. Pour contourner le problème causé par le post-filtrage quand le SOA est au transmetteur, nous proposons un nouveau récepteur pour les systèmes de communication WDM, qui permet de mieux garder le nettoyage de bruit, et ce malgré le filtrage optique au récepteur. La nouvelle méthode consiste en un détecteur balancé utilisé au récepteur: d'un bord, tous les canaux sont détectés sans distinction. De l'autre, le signal désiré est bloqué pendant que tous les autres canaux sont détectés. Avec cette méthode, il est facile de saturer l'amplificateur pour une meilleure suppression de bruit tout en évitant en grande partie la dégradation causé par le post-filtrage. Nous avons expérimentalement démontré un système WDM dense de 8 x 10 Gbps avec une source incohérente et un SOA en saturation. Une autre contribution originale de ce travail est le développement d'un outil de simulation pour les SOAs qui est numériquement plus efficace et léger que les modèles connus à ce jour. Nous avons donc développé un modèle théorique simple, pouvant être implémenté par diagramme block, dans le but de simuler les performances des hens de communications WDM. Notre modèle démontre une bonne concordance avec les résultats expérimentaux ainsi qu'une diminution de temps de calcul de l'ordre de 20 fois. Finalement, lors de la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes occupés de mesurer, de façon précise, le temps de recouvrement du gain dans un SOA. Le temps de recouvrement des porteurs dans un SOA est un des paramètres les plus importants qui sont à l'origine du phénomène de nettoyage de bruit et qui régissent le comportement ainsi que les dynamiques de l'amplificateur. Nous avons étudié en particulier, la dépendance de ce temps de recouvrement r de la longueur d'onde. Pour le SOA utilisé lors de notre étude expérimentale, nous avons démontré que r dépendait de la longueur d'onde de façon similaire au spectre de gain. Ces mesures ont été possibles grâce au développement d'un nouveau dispositif de mesure pompe/sonde, qui permettait de mesurer le recouvrement du gain pour une pompe et une sonde à la même longueur d'onde et ayant le même état de polarisation

Studies of the enzymes that convert steroid hormones in the human adipose tissue

Les tissus adipeux ont été reconnus il y a longtemps comme des sites importants de transformation et d’action des hormones stéroïdiennes. Parmi ces hormones, les androgènes et les oestrogènes jouent un rôle important dans la régulation des fonctions du tissu adipeux comme l'accumulation de triglycérides, la lipolyse, la différenciation des préadipocytes et la prolifération cellulaire. La disponibilité de ces hormones est modulée par un groupe d’enzymes de conversion des stéroïdes qui n’ont pas été entièrement caractérisées dans les tissus adipeux humains. Objectif: Notre objectif était de caractériser les isoenzymes de la 5α-réductase de même que la 17β-hydroxystéroïd déshydrogénase (17β-HSD) de type 2 et leur association avec les mesures anthropométriques et/ou les marqueurs d'adiposité. Méthodes: Des tissus adipeux omental et sous-cutané ont été obtenus auprès d’hommes et/ou de femmes non-obèses et/ou obèses. L'expression des 5α-réductases et 17β-HSD type 2 ont été mesurées dans différents modèles de tissus adipeux. Des techniques d’immunohistochimie et d'imagerie confocale ont été utilisées pour localiser la 17β-HSD type 2 dans les tissus adipeux. Nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques à ces enzymes dans nos expériences. De plus, des cultures de cellules HEK-293 ont été utilisées pour tester les inhibiteurs des 5α-réductases. Résultats: Nous avons démontré que la dihydrotestostérone est formée principalement à partir de l'androsténedione (4-dione) et est responsable de la grande majorité de l’effet inhibiteur du 4-dione et de la testostérone sur l'adipogenèse. Les isoenzymes de la 5α-réductase jouent donc un rôle important dans la régulation de la différenciation des préadipocytes. Nos résultats indiquent également que la conversion de la testostérone et de l'estradiol en stéroïdes moins actifs tels que le 4-dione et l'estrone, respectivement, est effectuée par la 17β-HSD type 2 qui est localisée dans les vaisseaux sanguins des tissus adipeux des hommes et des femmes. Conclusion: Les 5α-réductases et la 17β-HSD type 2 modulent la disponibilité des hormones stéroïdiennes actives dans les tissus adipeux humains. Leur activité et/ou leur expression est associée aux mesures d’adiposité. Ceci supporte la notion d’un rôle possible de ces enzymes dans l'altération des dépôts graisseux via une modulation de la disponibilité des hormones stéroïdiennes actives.Adipose tissue has long been recognized as a significant site for steroid hormone transformation and action. These hormones include androgens and estrogens, which play a pivotal role in the regulation of many adipose tissue functions including triglyceride accumulation, lipolysis, preadipocyte differentiation and proliferation. The availability of these hormones is regulated through a group of steroid hormone-converting enzymes that have not been fully characterized in adipose tissue. Our objective was to characterize steroid hormone-converting enzymes 5α-reductase and 17β-hydroxysteroid dehydrogenase (17β-HSD) type 2 and their involvement in the regulation of androgen and estrogen availability in abdominal adipose tissues of men and/or women, and define their association with anthropometric measurements or other adiposity markers. Methods: Omental (OM) and subcutaneous (SC) adipose tissues were obtained from non-obese and/or obese men and/or women. The expression of 5α-reductase and 17β-HSD type 2 isoenzyme was measured in various OM and SC tissue models. Immunohistochemistry and confocal imaging techniques were used to localize 17β-HSD type 2 in adiposes tissues. We used specific enzyme inhibitors in our experiments. In addition, HEK-293 cell cultures were used to test the 5α-reductase isoenzymes inhibitors. We also measured glycerol-3-phosphate dehydrogenase (G3PDH) activity with or without 5α-reductase inhibitors to assess the extent of preadipocyte differentiation. Results: Dihydrotestosterone is formed mainly through 4-androst-4-ene-3,17-dione (4-dione) and it is responsible for the vast majority of the inhibitory effect of 4-dione and testosterone on adipogenesis. 5α-reductase isoenzymes play an important role in the regulation of preadipocyte differentiation through modulation of androgenic activity. Our results also indicated that the conversion of testosterone and estradiol into less active steroids such as 4-dione and estrone, respectively, is caused by 17β-HSD type 2, which is localized in the blood vessels of adipose tissue in both men and women. No sex difference was detected in HSD17B2 mRNA expression. However, opposite correlations were found between 17β-HSD type 2/HSD17B2 mRNA expression and/or activity with age or adiposity measurements in both sexes. Conclusion: 5α-reductases and 17β-HSD type 2 have opposite actions on the availability of active steroid hormones in human OM and SC adipose tissues. The activity and/or the expression of these enzymes is associated with adiposity measurements. This supports a possible role of these enzymes in altering fat deposition through the modulation of active steroid hormone availability in adipose tissue

Investigation of viral and host factors contributing to the pathogenesis of human metapneumovirus infection and development of a subunit vaccine

Le métapneumovirus humain (HMPV) est un virus responsable des infections aiguës des voies respiratoires chez l’enfant ainsi que chez l’adulte. Dans les populations à risque élevée, comme les jeunes enfants, les personnes âgées et les patients immuno-supprimés, le HMPV entraîne une morbidité et une mortalité importante. La pathogenèse de l'infection par le HMPV reste largement inconnue, mais des modèles animaux qui permettent l'étude de cette pathogenèse ont été développés. En effet, le modèle des souris BALB/c a déjà été développé dans le laboratoire du Dr Guy Boivin. Ce modèle murin nous a permis de démontrer que la protéine de fusion (F) contribue à la capacité réplicative du virus, mais qu’elle n’est pas la seule protéine responsable de la virulence de ce virus. De plus, nous avons démontré que le récepteur activé par les protéases (PAR1) contribue de manière significative à la pathogenèse du HMPV. Actuellement, aucun vaccin ou modalité thérapeutique spécifique contre le HMPV sont disponibles. Trois facteurs principaux ont entravé le développement d'un vaccin sûr et efficace contre le HMPV; 1) Le précédent d’une maladie accrue associée à l'utilisation de vaccins inactivées contre la rougeole et le virus respiratoire syncytial (HRSV) et la démonstration d’une maladie accrue suite à une vaccination avec le HMPV inactivé chez les animaux. 2) Le manque de protection à long terme induite par les vaccins contre le HMPV chez les animaux. 3) Notre compréhension limitée des contributions individuelles des protéines virales dans le développement de l'immunité contre le HMPV. En développant un vaccin sous-unitaire comprenant de la protéine F et la protéine de la matrice (M), nous avons démontré que la protéine M contribue de manière significative à la protection chez la souris immunisée.Human metapneumovirus (HMPV) is an important etiological agent of acute respiratory tract infection in both children and adults. In high-risk populations, such as infants, elderly individuals and immunocompromised patients, HMPV causes significant morbidity and mortality. The pathogenesis of HMPV infection remains largely unknown, but animal models of HMPV infection have been developed that allow for the study of such pathogenesis. Indeed, the BALB/c mouse model of HMPV infection was previously developed in Dr Boivin’s laboratory. Using this murine model, we showed that the HMPV fusion (F) protein contributes to, but is not solely responsible for the replicative capacity and virulence of the virus and we demonstrated that the cellular protease-activated receptor-1 (PAR1) significantly contributes to HMPV pathogenesis. To date, no HMPV-specific vaccines or therapeutic modalities are available. Three major factors have haltered the development of a safe and effective HMPV vaccine; 1) the precedent of vaccine-enhanced disease associated with the use of HRSV and measles vaccines and the demonstration of vaccine-enhanced disease upon inactivated HMPV vaccination in animal models. 2) The lack of long-term protection induced by HMPV vaccines in animals. 3) Our limited understanding of the individual contributions of HMPV proteins to host immunity. By developing a subunit vaccine consisting of the HMPV F and matrix (M) protein, we demonstrate that the HMPV M protein significantly contributes to vaccine-induced protection in mice

Spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers enabling space-division multiplexing

L'augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l'amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l'EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d'abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d'un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l'erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l'erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l'erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d'énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré.The exponential increase of communication bandwidth demand is giving rise to the so-called ‘capacity crunch’ expected to materialize within the next decade. Due to the nonlinear limit of the single mode fiber predicted by the information theory, all the state-of-the-art techniques which have so far been developed and utilized in order to extend the optical fiber communication capacity are exhausted. The spatial domain of the lightwave links is proposed as a new degree of freedom that can be employed to increase the number of transmission paths and, subsequently, overcome the looming ‘capacity crunch’. Therefore, the emerging technique named space-division multiplexing (SDM) is a promising candidate for creating next-generation optical networks. To realize SDM in optical fiber links, one needs to investigate novel spatially integrated devices, equipment, and subsystems. Among these elements, the SDM amplifier is a critical subsystem, in particular for the long-haul transmission system. Due to the excellent features of the erbium-doped fiber amplifier (EDFA) used in current state-of-the-art systems, the EDFA is again a prime candidate for implementing practical SDM amplifiers. However, since the SDM introduces a spatial variation of the field in the transverse plane of the optical fibers, spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers (SIEDFA) require a careful design. In this thesis, we firstly review the recent progress in SDM, in particular, the SDM optical amplifiers. Next, we identify and discuss the key issues of SIEDFA that require scientific investigation. After that, the EDFA theory is briefly introduced and a corresponding numerical modeling that can be used for simulating the SIEDFA is proposed. Based on a home-made simulation tool, we propose a novel design of an annular based doping profile of few-mode erbium-doped fibers (FM-EDF) and numerically evaluate the performance of single stage as well as double-stage few-mode erbium-doped fiber amplifiers (FM-EDFA) based on such fibers. Afterward, we design annular-cladding erbium-doped multicore fibers (MC-EDF) and numerically evaluate the cladding pumped multicore erbium-doped fiber amplifier (MC-EDFA) based on these fibers as well. In addition to fiber design, we fabricate and characterize a multicore few-mode erbium-doped fiber (MC-FM-EDF), and perform the first demonstration of the spatially integrated optical fiber amplifiers incorporating such specialty doped fibers. Finally, we present the conclusions as well as the perspectives of this research. In general, the investigation and development of the SIEDFA will bring tremendous benefits not only for future SDM transmission systems but also for current state-of-the-art single-mode single-core transmission systems by replacing plural amplifiers by one integrated amplifier

Filamentation in air : evolution, control and applications

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la propagation non linéaire, sous forme de filaments laser, d'impulsions laser ultra-courtes dans l'atmosphère. Les résultats, principalement obtenus à partir d'expériences réalisées en laboratoire, apportent des éléments de compréhension clés en lien avec la la projection de filaments laser dans l'air. Trois aspects distincts de la filamentation sont abordés, à savoir l'évolution, le contrôle et les applications de la filamentation laser. Dans la section évolution, un filament unique a été rigoureusement caractérisé sur plusieurs dizaines de mètres. Plusieurs mesures ont été effectuées pour obtenir une image détaillée du phénomène global. En effet, la caractérisation inclut la mesure de la distribution de plasma du filament et l'évolution spectrale des impulsions laser. Également, des canaux de lumière intense, exempte d'ionisation, ont été observés et caractérisés sur plusieurs dizaines de mètres. La section sur le contrôle présente des méthodes qui pourraient éventuellement résoudre plusieurs problèmes liés à la projection de filaments puissants à longue distance. La plupart de ces méthodes se concentrent sur la fusion de filaments multiples afin d'obtenir un plus grand nombre d'électrons libres ou, un plus grand élargissement spectral. Ces méthodes comprennent l'utilisation de masques spéciaux, la diffraction d'une ouverture circulaire et un système d'optique adaptative. Enfin, la troisième partie présente deux applications prometteuses de la filamentation dans l'air. La première est la télédétection de polluants. Plusieurs cibles (gaz, cibles métalliques, nuages de fumée, aérosols, traces d'explosifs) ont été exposées à la radiation des filaments et la fluorescence caractéristique de ces cibles a été recueillie à l'aide de la technique LIDAR. Un système d'optique adaptative a été utilisé pour améliorer de façon significative les signaux de fluorescence émise. La deuxième application discutée est la génération d'impulsions dans l'infrarouge moyen via le mélange à quatre ondes durant la filamentation à deux couleurs. Le développement de nouvelles sources laser dans l'infrarouge moyen est de première importance pour résoudre des problèmes importants pour la défense et la sécurité civile. En utilisant cette méthode, des impulsions à large bande centrées entre 4-7 [Mu]m de longueur d'onde ont été produites

Tensor-based regression models and applications

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018Avec l’avancement des technologies modernes, les tenseurs d’ordre élevé sont assez répandus et abondent dans un large éventail d’applications telles que la neuroscience informatique, la vision par ordinateur, le traitement du signal et ainsi de suite. La principale raison pour laquelle les méthodes de régression classiques ne parviennent pas à traiter de façon appropriée des tenseurs d’ordre élevé est due au fait que ces données contiennent des informations structurelles multi-voies qui ne peuvent pas être capturées directement par les modèles conventionnels de régression vectorielle ou matricielle. En outre, la très grande dimensionnalité de l’entrée tensorielle produit une énorme quantité de paramètres, ce qui rompt les garanties théoriques des approches de régression classique. De plus, les modèles classiques de régression se sont avérés limités en termes de difficulté d’interprétation, de sensibilité au bruit et d’absence d’unicité. Pour faire face à ces défis, nous étudions une nouvelle classe de modèles de régression, appelés modèles de régression tensor-variable, où les prédicteurs indépendants et (ou) les réponses dépendantes prennent la forme de représentations tensorielles d’ordre élevé. Nous les appliquons également dans de nombreuses applications du monde réel pour vérifier leur efficacité et leur efficacité.With the advancement of modern technologies, high-order tensors are quite widespread and abound in a broad range of applications such as computational neuroscience, computer vision, signal processing and so on. The primary reason that classical regression methods fail to appropriately handle high-order tensors is due to the fact that those data contain multiway structural information which cannot be directly captured by the conventional vector-based or matrix-based regression models, causing substantial information loss during the regression. Furthermore, the ultrahigh dimensionality of tensorial input produces huge amount of parameters, which breaks the theoretical guarantees of classical regression approaches. Additionally, the classical regression models have also been shown to be limited in terms of difficulty of interpretation, sensitivity to noise and absence of uniqueness. To deal with these challenges, we investigate a novel class of regression models, called tensorvariate regression models, where the independent predictors and (or) dependent responses take the form of high-order tensorial representations. We also apply them in numerous real-world applications to verify their efficiency and effectiveness. Concretely, we first introduce hierarchical Tucker tensor regression, a generalized linear tensor regression model that is able to handle potentially much higher order tensor input. Then, we work on online local Gaussian process for tensor-variate regression, an efficient nonlinear GPbased approach that can process large data sets at constant time in a sequential way. Next, we present a computationally efficient online tensor regression algorithm with general tensorial input and output, called incremental higher-order partial least squares, for the setting of infinite time-dependent tensor streams. Thereafter, we propose a super-fast sequential tensor regression framework for general tensor sequences, namely recursive higher-order partial least squares, which addresses issues of limited storage space and fast processing time allowed by dynamic environments. Finally, we introduce kernel-based multiblock tensor partial least squares, a new generalized nonlinear framework that is capable of predicting a set of tensor blocks by merging a set of tensor blocks from different sources with a boosted predictive power

Microstructural characterization and modeling of concrete damaged by Alkali-Silica Reaction (ASR)

La réaction alcalis-silice (RAS) est un des principaux mécanismes nuisibles affectant la durabilité du béton. Le programme de recherche effectué dans le cadre de ce doctorat comprend deux parties (3 phases), soit la caractérisation microstructurale de produits de la RAS et la modélisation du mécanisme d’endommagement du béton par la RAS. Les résultats expérimentaux de cette recherche fourniront de nouvelles données sur les propriétés microstructurales de bétons affectés par la RAS. Les travaux effectués lors de la première phase du programme expérimental avaient pour objectif de caractériser les propriétés micromécaniques des produits de la RAS à l’aide de nouvelles techniques de nano- et micro-indentation, avec emphase portée sur leur propriété en viscosité. Les échantillons de béton utilisés lors du programme d’essais ont été extraits d’un pavage en béton fortement affecté par la RAS et situé dans la région de Bécancour (Québec). Le béton est caractérisé par de nombreuses particules de granulats de calcaire à grains fins contenant des microfissures remplies de produits secondaires de RAS; les fissures s’étendent dans la pâte de ciment pour former un réseau se propageant de particule en particule. Après une préparation soigneuse de l’échantillon par polissage, la surface des particules de granulats et des veinules apparaissant dans ces particules (i.e. microfissures remplies de produits cristallins de réaction) ont été examinées par Atomic Force Microscopy (AFM) avant de procéder aux essais de nano-indentation. Des valeurs de module et de dureté ont été mesurées pour les produits de réaction par micro- et nano-indentation. Les résultats de ces essais indiquent que les produits cristallins de RAS offrent un comportement de relaxation important atteignant environ 40%. De plus, un modèle rhéologique simplifié est proposé permettant de reproduire les courbes de relaxation sous charge et les valeurs asymptotiques. Ces résultats suggèrent que la relaxation des produits de RAS est importante et principalement irréversible. Les travaux de la deuxième phase du programme expérimental ont permis d’explorer l’utilisation d’une nouvelle technique de microscratch afin de caractériser l’énergie de fracturation (i.e. rigidité) des particules de granulats réactifs de type calcaire dans un béton fortement affecté par la RAS (viaduc routier de la région de Québec). Les particules de granulats montraient typiquement un zonage (zones gris-foncées et gris-pâles) entourant des veinules blanchâtres au sein des particules réactives. En tant que référence, un échantillon de calcaire vierge provenant d’une carrière de la région de Québec a été sélectionné et soumis aux mêmes procédures d’essais. En plus des propriétés élastiques, la rigidité des particules de granulats réactives ont été mesurées statistiquement et se situe autour de 1.5 MPam1/2. La rigidité de fracturation des particules de granulats réactives a démontré n’être affecté ni par la direction d’essai par rapport au plan de litage, ni par la zonation qui a d’abord été interprétée comme des portions montrant des signes de réaction. Ainsi, l’endommagement des particules de granulats semble se situer presqu’essentiellement au niveau des microfissures générées dans les particules réactives. La dernière phase du programme expérimental s’est concentrée sur la caractérisation des propriétés en fluage et en relaxation des produits cristallins de RAS remplissant les microfissures des granulats calcaire réactifs (échantillons provenant du pavage fortement affecté par la RAS utilisés lors de la première phase du programme expérimental). Les essais de micro-indentation ont été réalisés sous deux conditions d’humidité relative. Il a été observé qu’une augmentation en humidité relative réduisait fortement la déformation de fluage irréversible des produits cristallins de RAS, qui montrent un temps caractéristique plus grand. Ainsi, la teneur en eau semble favoriser le mécanisme de glissement irréversible le long ou entre les plaquettes des produits cristallins (rosettes lamellaires) de RAS sous charge constante. Finalement, les implications des résultats de ces travaux sont discutées en lien avec le processus de génération de pression à l’intérieur des particules de granulats réactives. Les propriétés rhéologiques des produits de RAS peuvent jouer un rôle critique lors du relâchement des contraintes internes induites par l’expansion de ces produits. Enfin, un modèle simplifié « 1D » est proposé comme nouvel outil de recherche, et ce afin de prendre en compte les principaux résultats de cette étude, i.e. les propriétés visco-élastiques des produits de RAS et les propriétés de rigidité des particules de granulats réactives.The Alkali-Silica Reaction (ASR) is one main detrimental factor to affect the durability of concrete. The research comprises two parts, i.e. microstructural characterization of ASR products (3 phases), and modeling of concrete damage due to ASR. The experimental results will provide new findings on the microstructure properties of ASR-damaged concrete. The work in the first phase of the research aims at characterizing the micromechanical properties of ASR products by new techniques of nanoindentation and micro-indentation, with emphasis on their viscous behavior. The concrete samples were extracted from a heavily ASR-affected concrete pavement in Bécancour (Québec). The concrete is characterized by numerous fine-grained limestone aggregate particles with microcracks filled with secondary reaction products that extend into the cement into a network from one aggregate particle to another. After careful sample preparation (polishing), the surface of the aggregate particle and of the veinlets (i.e. cracks filled with crystalline ASR product within the aggregate particles) was examined by Atomic Force Microscopy (AFM) before nanoindentation testing. Both nanoscale and microscale indentation modulus and hardness of ASR products were measured. The test results show that ASR crystalline products exhibit important relaxation behavior of about 40%. Then, a simplified rheological model was proposed to fit the load relaxation curves and their asymptotic values. These results suggest that ASR product relaxation is significant and mostly irreversible. The second research phase explored the use of the novel micro-scratch technique to characterize the fracture energy (i.e., toughness) of the ASR-affected limestone aggregate particles within a core specimen extracted from a heavily ASR-affected concrete bridge from the Québec City area. The ASR-affected aggregate particles were typically showing “zoning” (i.e. light grey and dark grey) surrounding white veinlets within reacted limestone aggregate particles. As a reference, an undamaged/virgin quarried limestone specimen from a local quarry was selected and subjected to similar testing. Besides the elastic properties, the toughness of the reactive aggregate particles was statistically measured to be around 1.5 MPam1/2. The fracture toughness of reactive aggregate particles was affected neither by the bedding line directions nor by the “zoning” that was first thought to correspond to “reacted” portions of the particles. Besides the major cracks filled by ASR products, the results indicated that the surrounding reactive aggregate was not characterized by any significant internal damage distribution. In the later phase of the experimental program, our research focused on characterizing the creep and stress relaxation properties of the ASR crystalline products typically filling microcracks within reactive limestone particles (specimen from the heavily ASR-affected concrete pavements in Bécancour (Québec) used in phase 1). The testing carried out was micro-indentation under controlled relative humidity. It was found that an increase in relative humidity strongly reduces the irreversible creep deformation of ASR crystalline products, which act a greater characteristic time. That is, the water content seems to favor irreversible sliding mechanisms along/between the ASR crystals under constant load. Finally, the implications the research findings are discussed with respect to the stress build-up process within reactive aggregate particles. The rheological property of ASR products may play a critical role to releasing the internal stress induced by the ASR product expansion. Finally, a “1D thought model” is proposed as a new research avenue to account for the major results of this work into ASR-damaged concrete modeling, i.e., the visco-elastic property of ASR products and the damage toughness of reactive aggregates