Design and performance of fiber-optic light-transmitting cementitious composites

Hwang Arcolezi, Karina (2026). Design and performance of fiber-optic light-transmitting cementitious composites. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The integration of optical fibers into cementitious matrices offers a promising way for developing materials that combine structural performance with optical functionalities, enabling applications in architectural daylighting, sensing, and information transfer. The subject remains fragmented, with inconsistencies in terminology, experimental methodologies, and interpretation of results, limiting the development of unified design approaches and challenging comparison across studies. This thesis investigates fiber-optic cementitious composites by relating material design, optical behavior, and mechanical performance within a unified framework, using a combined experimental and analytical approach. First, the reliability of optical transmittance measurements is evaluated by analyzing the influence of experimental configuration, particularly the detector-sample distance. Experimental results show that measurement conditions significantly affect reported transmittance values, contributing to variability across studies. To address this, a physically grounded methodology based on the spatial distribution of light emerging from embedded optical fibers is developed. This approach provides a consistent basis for optical characterization and improves measurement reproducibility, thus proposing a practical contribution toward standardization in the field. Second, the mechanical behavior of composites containing embedded optical fibers is investigated through comparative experimental analysis. Samples with fibers are evaluated alongside samples containing preformed holes of equivalent geometry, enabling the separation of material and geometric effects. The results show that both fiber-matrix interaction and geometric disruption influence the mechanical response, with their relative contributions depending on loading conditions and matrix composition. Finally, to extend the functionality of these materials beyond passive light transmission, alternative fiber configurations are explored. A composite with randomly distributed optical fibers is developed, demonstrating that light propagation can be modified to achieve visual privacy while maintaining light transmission. A computational reconstruction approach further demonstrates that information scrambled by the random fiber arrangement can be digitally recovered, positioning these composites as hybrid physical-digital systems. Overall, this work provides a coherent understanding of fiber-optic cementitious composites by linking optical characterization, mechanical behavior, and material design, and establishes design principles for multifunctional cementitious materials integrating optical and structural performance with emerging digital capabilities.

Titre traduit

Conception et performance des composites cimentaires à fibres optiques transmissifs à la lumière

Résumé traduit

L'intégration de fibres optiques dans des matrices cimentaires est une approche prometteuse pour développer des matériaux alliant performance structurale et fonctionnalités optiques, avec des applications en éclairage naturel, en détection et en transfert d'information. Le domaine reste fragmenté : la terminologie, les méthodes expérimentales et l'interprétation des résultats varient d'une étude à l'autre, ce qui complique les comparaisons et freine le développement d'approches de conception communes. Cette thèse étudie les composites cimentaires à fibres optiques en reliant la conception du matériau, le comportement optique et la performance mécanique dans un cadre unifié, à partir d'une approche expérimentale et analytique. Dans un premier temps, la fiabilité des mesures de transmittance optique est examinée en analysant l'effet de la configuration expérimentale, notamment la distance entre le détecteur et l'échantillon. Les résultats montrent que ces conditions de mesure influencent significativement les valeurs obtenues, ce qui explique en partie la variabilité entre études. Une méthode basée sur la distribution spatiale de la lumière sortant des fibres intégrées dans la matrice est alors proposée. Elle offre une base cohérente pour la caractérisation optique et améliore la reproductibilité des mesures, tout en proposant une meilleure standardisation dans le domaine. Dans un deuxième temps, le comportement mécanique des composites avec fibres optiques est étudié par une analyse expérimentale comparative. Des échantillons avec fibres sont comparés à des échantillons avec cavités préformées de géométrie équivalente, ce qui permet de distinguer les effets du matériau de ceux liés à la géométrie. Les résultats montrent que l'interaction fibre matrice et la perturbation géométrique contribuent toutes deux à la réponse mécanique, dans des proportions qui varient selon les conditions de chargement et la composition de la matrice. Enfin, pour aller au-delà de la simple transmission de lumière, des configurations de fibres alternatives sont explorées. Un composite à fibres optiques distribuées aléatoirement est développé, montrant qu'il est possible de modifier la propagation de la lumière pour préserver la confidentialité visuelle tout en maintenant la transmission lumineuse. Une approche de reconstruction numérique montre également que l'information brouillée par la disposition aléatoire des fibres peut être récupérée par traitement informatique, positionnant ces composites comme des systèmes hybrides physico-numériques. Dans l'ensemble, ce travail propose une compréhension cohérente des composites cimentaires à fibres optiques en liant caractérisation optique, comportement mécanique et conception du matériau, et établit des principes de conception pour des matériaux cimentaires multifonctionnels intégrant performance optique, structurale et capacités numériques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 167-184).
Mots-clés libres:	mortiers transmetteurs de lumière, transmittance optique, propriétés mécaniques, interaction fibre-matrice, béton multifonctionnel
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Ouellet-Plamondon, Claudiane
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Ung, Bora
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 sept. 2026 18:16
Dernière modification:	25 sept. 2026 18:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4114

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