Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Contraintes de gonflement“

Au laboratoire, l’essai de sensibilité est réalisé en visant à mesurer l’amplitude des déformations de gonflement et de tassement provoquées par l’imbibition d’un sol compacté et chargé sous différents niveaux de contraintes totales dans des cellules œdométriques indépendantes. Le sol est compacté par compactage statique. Des indices de sensibilité à l’imbibition servent à décrire la réponse du sol point par point en fonction des charges appliquées. Dans cette étude, une méthode d’analyse globale est proposée pour interpréter les essais de sensibilité portant sur une vingtaine de sols compactés dans différents états. L’interprétation se fonde sur la loi semi-logarithmique de compressibilité des sols qui est mise en œuvre habituellement pour exploiter les essais de gonflement en parallèle. La méthode est présentée sur des exemples de courbes expérimentales, à partir desquelles sont identifiés les principaux paramètres caractéristiques : compressibilités, pression de gonflement, rapport de gonflement. Un regard particulier est porté à la pression de gonflement, définie et attachée à cette procédure d’essai, en comparaison de la contrainte de compactage. Mais il faut faire appel à une contrainte de reprise du compactage pour interpréter les tassements observés pendant le chargement et avant l’imbibition du sol compacté. Cet éclairage offre une base intéressante pour expliquer la variété des réponses observées au cours des essais de sensibilité et poser les limites d’application de cette approche globale et complémentaire de l’approche originale.

Plusieurs séries d’essais de gonflement ont été réalisées sur des argiles et des marnes plastiques à l’aide d’un œdomètre K0 à haute pression. Ces essais sont accompagnés par des essais de gonflement en parallèle à basse pression. Des essais triaxiaux à haute pression ont fourni la résistance de quelques-uns de ces terrains et leurs états limites. Après avoir présenté les matériels, les procédures d’essais et les terrains étudiés, les résultats des essais sont décrits à partir des courbes expérimentales. Chaque exemple apporte un éclairage particulier parmi les diverses réponses des terrains argileux et marneux examinés. En enrichissant les essais d’une mesure de la contrainte radiale, l’œdomètre K0 à haute pression permet de décrire les chemins des contraintes suivis au cours des cycles de chargement. Cette mesure élargit le cadre d’interprétation des essais en apportant des données pertinentes sur trois aspects particuliers du gonflement œdométrique au laboratoire. Cela concerne le préchargement en phase préliminaire d’essai quand le sol est mis en présence d’eau ou l’effet de la contrainte maximale atteinte au cours des cycles de chargement. Cela concerne aussi la rupture du sol en extension en fin de déchargement, où différentes situations apparaissent suivant la résistance du sol. Les cycles à haute pression et le gonflement à basse pression produisent une déstructuration des sols et une modification de leur comportement mécanique.

Un œdomètre K0 à haute pression est utilisé pour recueillir simultanément les propriétés de compressibilité des sols et les caractéristiques des chemins des contraintes œdométriques pendant des cycles de chargement-déchargement en condition drainée (essais K0 D HP). La contrainte radiale totale est mesurée à l’aide d’une bague mince. Un résumé des principaux aspects du comportement des sols observés à l’œdomètre K0 est proposé pour commencer, d’après les travaux de nombreux auteurs. L’œdomètre K0 HP est décrit ensuite, puis les procédures d’essais et les conditions d’essais. La nature des sols testés et leurs propriétés physiques sont indiquées alors. La diversité des comportements s’observe à partir des courbes expérimentales recueillies sur un sable, un limon, puis des argiles raides et des marnes peu plastiques à très plastiques. Les courbes contrainte-déformation et les chemins des contraintes œdométriques décrivent des boucles d’hystérésis à partir desquelles sont identifiées les caractéristiques œdométriques des sols. Ces caractéristiques peuvent être comparées aux résistances au cisaillement de quelques-uns de ces terrains et leurs états limites fournis par des essais triaxiaux à haute pression. Les divers aspects des réponses œdométriques sont présentés et commentés, qui concernent les seuils de préconsolidation, les indices de gonflement, les chemins des contraintes de chargement, les chemins des contraintes de déchargement, la progression de ces derniers vers des états de contraintes en extension. Une récapitulation des principaux paramètres est proposée enfin, qui s’appuie sur les résultats d’une soixantaine d’essais K0 D HP. En première approche, les paramètres œdométriques s’ordonnent en fonction de la nature du sol, de la compacité initiale et de l’argilosité.

Les contraintes que le gel développe dans une roche poreuse humide sont de deux espèces : 1) des contraintes d’origine thermique intrinsèquement en régime transitoire; 2) des contraintes dues au gonflement de l’eau humectant la roche lors de l’engel. Ce sont ces contraintes que nous étudions ici à partir d’un modèle mathématique simple : une sphère creuse à l’intérieur de laquelle se développe une pression pi. Lamé (1852) a donné l’équation des contraintes qui apparaissent en un point quelconque de la masse solide en fonction de pi. Par ailleurs, les théories de l’élasticité permettent de déterminer la pression Peq qui se développe dans la cavité au moment de l’engel. Connaissant cette pression, la répartition des contraintes qu’elle provoque dans la matière et la résistance de la roche, on peut déterminer s’il y a ou non fissuration ou éclatement de la roche sphérique. En étendant ce principe aux roches poreuses, il est possible de déterminer un taux critique de porosité au-dessus duquel le gel conduit à la rupture. Mais dans les roches, il faut tenir compte du fait que les canalicules du réseau de porosité débouchant à l’extérieur, il y a extrusion de la glace au moment de l’engel. D’autre part, les roches de la couche superficielle de l’écorce terrestre ayant subi de nombreux cycles de contraintes dues aux variations de température en particulier accusent une certaine fatigue qui diminue leur résistance mécanique.

L'objectif de cette thèse menée au Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux (LIM) était l'étude de polymères en ambiance humide avec gonflement, il a été par la suite étendu à la diffusion d'autres fluides. Le gonflement en présence d'un solvant (quelle que soit sa nature), s'il est contrarié, induit des contraintes qui à leur tour influent sur la quantité d'eau qui peut être absorbée. On étudie ici le cas de composites isotropes, renforcés par exemple par des particules équiaxes (d'aluminium ou billes de verre). Ces renforts n'absorbant pas l'eau, ils gênent le gonflement de la matrice polymère et la prise d'eau du composite est alors inférieure à celle de la matrice seule, du fait des contraintes internes induites. La première étape expérimentale de ces travaux a consisté à mettre au point des réseaux epoxy-amine idéaux aux caractéristiques bien contrôlées et à les caractériser, c'est-à-dire à déterminer les lois de diffusion, de gonflement et les isothermes de sorption en fonction de l'humidité de l'environnement. Puis ensuite refaire de même avec des composites de différentes fractions volumiques de renforts. La partie modélisation de ces travaux a développé un modèle original de couplage contraintes-diffusion via le gonflement de la résine, et permet de calculer les profils de concentration en eau, de contraintes et de déformation au cours du temps dans une résine pure ainsi que la pression moyenne induite par gonflement dans la matrice au sein d'un composite. Il en résulte en particulier que si l'isotherme de sorption de la matrice suit une loi de Henry, alors celle du composite suit une loi de Langmuir. Le modèle peut être adapté aussi aux systèmes non-idéaux, nous l'avons fait notamment pour des résines pures suivant une isotherme de sorption de Langmuir. L'inconvénient des essais de sorption en environnement humide est, pour les systèmes considérés, que les coefficients de gonflement et les niveaux de saturation sont faibles, et il est alors difficile de mesurer l'effet des contraintes. Pour pallier ce problème nous avons donc réalisé des expériences de sorption dans des solvants organiques plus lourds. Dans ce cas les coefficients de gonflement sont bien supérieurs, les concentrations à saturation également, à tel point que la matrice des composites franchit la transition vitreuse.

Cette étude se focalise sur l’influence du dioxyde de titane sur le comportement d’une résine polymère époxy modèle. Les systèmes considérés sont des composites constitués d’un pigment, le dioxyde de titane TiO2 à des taux massiques de 10% et 20%, et de résine DGEBA-DAMP. Tout d’abord, les propriétés mécaniques et thermiques de films libres complètement réticulés sont mesurées par DSC et DMA. Les résultats des composites sont comparés à ceux de la résine pure pour mieux comprendre l’impact du TiO2. Les films libres de composites sont ensuite immergés dans de l’eau pure à différentes températures (30, 40, 50 et 60 °C) pour étudier la prise en eau et les coefficients de diffusion par gravimétrie. L’évolution des propriétés de nos systèmes est aussi étudiée pour avoir accès à l’influence de l’eau sur leur comportement. Dans un second temps, les composites sont réticulés sur des plaques d’acier et certaines sont soumises à des contraintes mécaniques externes. Ces revêtements sont alors plongés dans une solution saline et l’absorption d’eau est suivie par SIE. Une dernière étape de ce travail consiste à suivre le gonflement des revêtements composites par SECM. Finalement, la comparaison des résultats de la résine pure et des composites obtenus pour les films libres et les revêtements permet de mettre en avant l’impact du TiO2 sur la durabilité de ces systèmes, essentiellement dû au développement de contraintes internes
This study focuses on the influence of titanium dioxide on the behavior of a model epoxy polymer resin. The considered systems are composites which contain titanium dioxide TiO2 as pigment and DGEBA-DAMP as epoxy resin. The studied amounts of titanium dioxide are 10 wt.% and 20 wt.%. Firstly, mechanical and thermal properties of totally cured free films are studied by DSC and DMA. The results of the composites are compared to those of the resin alone to better understand the impact of the titanium dioxide. Then, composite free films are immersed in pure water at different temperatures (30, 40, 50 and 60 °C) to investigate water uptake and diffusion coefficients by gravimetry. At each step of ageing, measurements of the properties are carried out to show the influence of water on our systems behaviors. Then, composites of epoxy resin and pigment are applied on steel panels and some samples are submitted to external mechanical stresses. These coatings are submitted to an environment of NaCl 3 wt.% saline solution and water uptake is followed by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Swelling of composites coatings is followed by SECM in a last step of this work. Finally, a comparison of the results of pure resin and of composite gives access to the impact of titanium dioxide on the durability of these systems. It is mainly due to the presence of internal stresses

La thèse est consacrée à la caractérisation mécanique des films minces à l'aide de mesures de déplacements par voie optique et traitements numériques. Les domaines d'études sont d'une part les contraintes résiduelles et d'autre part l'essai de traction. Les moyens de mesure employés sont la projection de franges et la photographie numérique de speckle.

La projection de franges permet de mesurer la carte des déplacement hors-plan. Elle est adaptée à la mesure des contraintes résiduelles dans les films minces par analyses de courbure et/ou essais de gonflement. On montre suite à trois études expérimentales :
1. la précaution à prendre dans l'utilisation de la formule de Stoney même pour des bicouches libre-libre (SiO2/Si) ;
2. la présence de flambage dans les membranes bicouches comprimées encastré-encastré (SiO2/Si) ;
3. un parfait accord entre essais de gonflement et essais de nano-indentation pour des films tendus (polimiide).

La photographie numérique de speckle permet de mesurer la carte des déplacements dans le plan. Elle est adaptée avec succès à un banc d'essais de traction conçu durant la thèse et spécialement dédié aux films minces. Un algorithme original de calcul a été développé pour obtenir une résolution subpixel. Les performances de l'algorithme sont comparées par des simulations et des expériences aux algorithmes classiques de corrélation. Sa rapidité et sa haute résolution permettent de calculer les cartes de déplacements en temps réel. Les déformations dans le plan en sont déduites et permettent le tracé des courbes contrainte/déformation puis le calcul du module d'Young E et du coefficient de Poisson v. Les matériaux choisis pour valider le banc d'essai sont le cuivre électrodéposé, matériaux ductile, puis le silicium monocristallin, matériaux fragile.

Les revêtements d'hydrogel sont des réseaux de polymères transparents et hydrophiles capables d’abosrber plusieurs fois leur épaisseur en eau. Cependant, les contraintes induites par le gonflement du film peuvent entraîner un décollement préjudiciable de l'hydrogel ce qui peut limiter l’utilisation pratique des ces revêtements. Dans cette étude, nous proposons de décrire les mécanismes de décollement de films minces d’hydrogel en fonction de leur densité de greffage à l'interface film/substrat. Le but est de pouvoir contrôler et prédire la dégradation des revêtements hydrogel pendant le gonflement ou sous des contraintes de contact. Dans ce but, nous avons développé une méthodologie permettant de mesurer l'initiation et la propagation de la délamination induite par le gonflement de films minces d’hydrogel à partir de défauts d'interface préexistants bien contrôlés.Des films minces d'hydrogel de poly(diméthylacrylamide) (PDMA) attachés à la surface sont préparés sur des plaquettes de silicium à partir de la réticulation et du greffage simultanés (CLAG) de chaînes polymères fonctionnalisées par la chimie click thiol-ène. Cette stratégie permet de faire varier l'épaisseur du film (0.1 - 2 µm) et de contrôler le taux de gonflement du réseau, ici fixé à 2, tout en assurant une densité de réticulation homogène. Afin de faire varier la résistance de l'interface film/substrat, le substrat en silicium est greffé avec des mélanges de mercaptosilane (réactif) et de propylsilane (inerte) dans différentes proportions avant le dépôt du film mince. Alors que le mercaptosilane est capable de former des liaisons covalentes avec le réseau PDMA, le propylsilane ne réagit pas, ce qui permet de contrôler le taux de greffage du film mince d’hydrogel sur le substrat. Nous caractérisons la fraction de surface de mercaptosilane ainsi obtenue par des analyses XPS et TOF-SIMS. Par ailleurs, toujours à l’interface subtrat/film, des défauts linéaires bien contrôlés ayant une faible adhérence (largeur entre 10 et 100 µm) sont créés sur le substrat en passivant de façon localisée les groupes thiol réactifs par microlithographie. Ces défauts nucléent le décollement des films de façon bien localisée, ce qui permet ensuite de suivre la propagation de la décohésion à partir de ces défauts.Le décollement du film induit par le gonflement est réalisé sous un flux de vapeur constant assurant la saturation du film en eau. En observant le décollement progressif du film à partir des défauts linéaires préexistants, nous retrouvons un motif d’instabilité classique dit de fil de téléphone et nous montrons que le décollement résulte de contraintes de gonflement localisées proche de la ligne de décollement. Nous mesurons la vitesse de propagation du décollement dans la zone où le film est greffé sur le substrat et nous observons qu’elle augmente de deux ordres de grandeur lorsque la quantité de propylsilane dans le mélange de silanes réactifs passe de 0 à 90 %, c’est-à-dire lorsque le taux de greffage du film décroit. Un seuil d'épaisseur pour le décollement est également observé, les films pouvant se décoller étant d’autant plus minces que le taux de greffage du film ets faible. Les mesures de ce seuil sont discutées à partir d'un argument simple de mécanique de la rupture qui permet de rendre compte semi quantitativement de nos mesures
Hydrogel coatings are transparent and hydrophilic polymer networks that absorb a lot of water and can be suitable candidates for anti-mist coatings. However, swelling-induced stresses within the film can result in detrimental debonding of hydrogel and may fail. In this study, these debonding processes are investigated in the relation to the grafting density at the film/substrate interface, so as to control and predict the failure of the coatings during swelling or under contact stresses. For that purpose, we have developed a methodology consisting in monitoring the initiation and the propagation of swelling-induced delamination from well-controlled preexisting interface defects.Surface-attached poly(dimethylacrylamide) (PDMA) hydrogel thin films are prepared on silicon wafers from the simultaneous Cross-Linking And Grafting (CLAG) of functionalized polymer chains by thiol-ene click chemistry. This strategy allows to tune the film thickness (0.1-2 µm) while ensuring a homogeneous crosslinking density. In order to vary the strength of the film/substrate interface, the silicon wafer is grafted by mixing reactive mercaptosilane and unreactive propylsilane in various proportions prior to the formation of the hydrogel film. We characterize the mercaptosilane surface fraction thus obtained by XPS and TOF-SIMS analyses. Well-controlled line defects (width between 2 and 100 µm) are also created to nucleate delamination of the hydrogel from the substrate.Swelling-induced debonding of the film is achieved under a constant vapor flow ensuring water saturation. Optical observations show the progressive debonding of the film from the pre-existing line defects under the action of localized swelling stresses. We obtain a delamination pattern of typical so-called telephone cord instability. We measure the debonding propagation velocity where the hydrogel is grafted to the substrate. The debonding rate is found to decrease over two orders of magnitude when the amount of mercaptosilane in the reactive silane mixture is increased from 10% to 100% while increasing the covalent bonds between hydrogel and substrate. A threshold thickness for debonding is also observed. This threshold thickness increases with the amount of mercaptosilane used to graft the substrate. We derived quantitative values of the interface fracture energy from the measured thickness threshold with a simple fracture mechanics model

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau qui est considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite ou une céramique suivant ses applications en microélectronique ou comme matériau nucléaire. Dans ces deux domaines d'application les défauts générés par l'implantation/irradiation d'ions (dopage, matériau de structure) doivent être contrôlés. Ce travail est une étude des défauts générés par l'implantation de gaz rares suivant les conditions d'implantation (fluence et température). La déformation élastique a plus particulièrement été étudiée dans le cas d'implantation de xénon à des températures pour lesquelles la recombinaison dynamique empêche la transition amorphe. Un modèle phénoménologique basé sur le recouvrement des cascades a été proposé pour comprendre l'évolution de la déformation maximale avec la dose. Des observations complémentaires en particulier par microscopie électronique à transition nous ont permis de préciser la nature des défauts créés et d'étudier leur évolution sous recuit. La formation de cavités a été observée pour des conditions sévères d'implantation/recuit ; ces cavités sont de nature différente (vide ou pleine) suivant la répartition du xénon. Cette étude est également reliée aux propriétés de gonflement sous irradiation, gonflement qui doit être anticipé dans les domaines d'application du SiC
Silicon carbide is a material that can be considered as a wide band gap semiconductor or as a ceramic according to its applications in microelectronics and in nuclear energy system (fission and fusion). In both fields of application defects or damage induced by ion implantation/ irradiation (doping, material structure) should be controlled. This work is a study of defects induced by noble gas implantation according to the implantation conditions (fluence and temperature). The elastic strain buildup, particularly in the case of xenon implantation, has been studied at elevated temperatures for which the dynamic recombination prevents the amorphization transition. A phenomenological model based on cascade recovery has been proposed to understand the strain evolution with increasing dose and for different noble gases. In addition, with the help of transmission electron microscopy the evolution of defects under subsequent annealing was studied. The formation of nanocavities was observed under severe implantation/annealing conditions. These cavities are of different nature (full of gas or empty) according to the xenon and damage distribution. This study is also linked to swelling properties under irradiation that should be projected in the SiC application fields

L’isolation des cuves des méthaniers, utilisant la technologie de membrane MarkIII, est garantie par l’agencement de barrières thermiques réalisées à l’aide de blocs de mousse polyuréthane renforcée. La membrane est dimensionnée pour résister aux diverses sollicitations mécaniques et thermiques de service. De plus, dans le cadre de l’étude de scénarios de sécurité critiques, il doit être démontré que l’occurrence d’un évènement rare de type pénétration d’eau, n’engendre pas de dommages sévères des composants de la membrane.L’objet de ce travail est d’étudier le comportement de la mousse polyuréthanne renforcée par des fibres de verre en immersion afin d’aider à une meilleure compréhension des mécanismes de diffusion et de l’impact de la pénétration de l’eau sur les propriétés du matériau.La mise en place d’essais de sorption à température ambiante, suivant trois conditionnements « libre », « bloqué » et « couplé » a permis d’identifier respectivement une loi de gonflement, une loi de chargement et une loi d’endommagement.En conditionnement « libre », l’architecture cellulaire et les positionnements de fibres de verre dans les plans XY induisent un couplage hygro-mécanique anisotrope. Le gonflement de la direction Z, joue un rôle très important sur les niveaux de solubilité de l’eau.En conditionnement « bloqué », le blocage du déplacement des faces perpendiculaires à la direction Z induit une augmentation du niveau de contrainte interne en fonction de la progression du front de pénétration.En conditionnement « couplé », l’enchaînement d’un vieillissement hydrique et d’un vieillissement cryogénique engendre un endommagement, dont le degré est proportionnel au niveau de gonflement de la structure cellulaire.L’impact de ces différents conditionnements sur la durabilité des propriétés mécaniques du matériau a été évalué
The insulation of containment membrane of liquid natural gas carrier using the MarkIII membrane system, consists of load-bearing system made of panels in glass fiber reinforced polyurethane foam. The membrane is designed to resist to mechanical and thermal service load cases. As stated by IGC code regulation, and more specifically in some critical safety scenario, it has to be demonstrated that the cargo containment system will keep its integrity and main functions when subjected to water leakage through the inner hull wall (ballast).The challenge of this study is to appreciate the behavior of the reinforced polyurethane foam in immersion, which could widen the understanding of both water diffusion mechanisms and the impact of water penetration on the properties of the material.The setting up of water sorption tests at ambient temperature, according to three conditioning "free", "blocked" and "coupled" has allowed to identify a swelling law, a loading law and a damage law.In "free" conditioning, the cellular structure and the orientation of glass fibers in XY planes induce an anisotropic hygro-mechanical coupling. The swelling of Z direction has an important impact on the water solubility levels.In "blocked" conditioning, the blocking of the displacement of the faces perpendicular to the Z direction induces an increase in the internal stress levels as a function of the progression of the penetration front. In "coupled" conditioning, the sequence of the water aging and the cryogenic aging causes several damages. The damage degree is proportional to the hygroscopic swelling level of the cellular structure.The impact of these different conditionings on the durability of the material mechanical properties has been evaluated

Les travaux présentés dans ce mémoire traite du développement et de l'optimisation de nouvelles filières technologiques d'élaboration de circuits micro-ondes suspendus sur membrane diélectrique. Cette élaboration passe par l'étude physique, mécanique et électrique de nouveaux matériaux susceptibles de répondre aux cahiers des charges. Nous proposons la filière technologique basée sur la fabrication de membranes épaisses à partir des dépôts par plasma. L'intérêt majeur de cette technologie est d'améliorer la fiabilité mécanique du composant. Les résultats en terme de caractérisation fréquentielle montre un bon accord avec la filière développée auparavant et qui est dédiée essentiellement à la fabrication de circuits micro-ondes de surface assez faible sur membrane mince. Dans un second volet, nous proposons un banc de test pour la caractérisation mécanique des matériaux. Dans cette optique, un système de gonflement de membrane suspendue sous pression différentielle a permis de tester les propriétés mécaniques du nitrure de silicium. Les contraintes résiduelles et le module d'Young du matériau sont extraits. La dernière partie concerne la réalisation d'une antenne à émission surfacique de type Yagi-Uda sur membrane diélectrique. La miniaturisation et les technologies de micro-usinage volumique du silicium ont permis la réduction des dimensions, et surtout l'utilisation de ce type d'antennes en haute fréquence. Nous décrivons un nouveau procédé de gravure de silicium adapté à la fabrication de ce type d'antenne. La caractérisation électrique des structures fabriquées est en accord avec les résultats de simulation électrique. De plus, des simulations mécaniques des structures fabriquées sont présentées afin de clarifier l'origine des déformations des dispositifs.

La présente étude vise à comprendre le comportement chimico-hydro-mécanique des argiles raides à travers deux formations géologiques, l'argile de Boom et les argiles yprésiennes, qui sont censées être des formations hôtes potentielles pour le stockage de déchets radioactifs en Belgique. Le comportement volumique a été étudié tant à l'état intact qu'à l'état reconstitué, et sous différentes conditions : K0 et isotrope, sous des boucles de chargement - déchargement. Les résultats obtenus montrent que le comportement volumique de ces argiles est gouverné par la compétition entre l'effet physico-chimique et l'effet mécanique, caractérisée par une contrainte seuil qui correspond à la contrainte de gonflement en termes de changements de structure. Une loi de comportement volumique a été ainsi développée afin de décrire cet aspect. La perméabilité a été déterminée, comparée avec les résultats dans la littérature et corrélée avec les paramètres comme l'indice des vides. La variation de la perméabilité avec la profondeur ont mis en évidence le rôle déterminant des macro-pores dans le transfert des fluides. Le comportement volumique et la perméabilité des argiles de Boom et yprésiennes intactes sont aussi influencés par la variation de la composition chimique de l'eau de pore, qui modifie la double couche diffuse et favorise l'agrégation des particules argileuses. Les caractéristiques élastiques, la surface de charge et l'enveloppe de rupture ont été identifiées pour le comportement déviatorique des argiles de Boom et yprésiennes. Un modèle élasto-plastique conceptuel a été développé permettant de tenir compte des effets du gonflement et de la compétition entre l'effet mécanique et l'effet physico-chimique

Notre principale contribution à l'étude du matériau gel a été la mise au point d'un dispositif original de mesure directe de la pression osmotique dans les gels. Des expériences effectuées sur des gels cylindriques d'acide polyacrylique partiellement ionisés ont montré que la pression osmotique varie linéairement avec la concentration en contre ions en dessous du seuil de condensation. Ce résultat est conforme aux théories existantes. Le comportement, sous compression oedométrique, d'empilements lâches de billes de gel gonflées dans une solution de salinité donnée est non linéaire, et la caractéristique force-déformation peut être décrite par morceaux par une loi de puissance. Celle-ci présente trois régimes : un régime de consolidation décrit par un exposant de l'ordre de 1.6, comparable à l'exposant donné par la loi de Hertz. Dans le régime consolidé, le nombre de contacts augmente avec la déformation. Le comportement est alors gouverné par un exposant de l'ordre de 2.5, plus grand que l'exposant de Hertz. Enfin, apparaît un comportement fortement non linéaire décrit par un exposant de l'ordre de 3.5 : tous les contacts sont établis et le comportement est dominé par la contribution des particules fortement déformées. Lors des cycles de compression, l'hystérésis est principalement due à la dissipation visqueuse dans les billes sans expulsion de solvant. Sous compression isotrope générée au sein de l'empilement, contraint à occuper un volume constant, par variation de la taille des particules obtenue en faisant varier la salinité de la solution, le comportement de l'empilement est encore non linéaire avec le paramètre de contrôle de l'expérience. Le comportement observé s'apparente à un régime consolidé, décrit par un exposant supérieur à celui obtenu dans le même régime en compression oedométrique.

Ce travail allie une approche théorique, basée sur la mécanique des milieux poreux réactifs, à une approche expérimentale importante, afin de mieux comprendre le fonctionnement d'un béton atteint d'alcali-réaction (plus précisément, de réaction alcali-silice). L'intérêt de la modélisation se manifeste dès la conception du programme d'essais, en orientant le choix des principaux paramètres - apports d'eau, température et contraintes - et en induisant une méthodologie d'étude qui établit un parallèle entre les effets macroscopiques et les causes microscopiques de l'alcali-réaction. Le volet expérimental a porté sur les déformations, fissurations, variations de poids et caractéristiques mécaniques de plus de six cents éprouvettes, en gonflement libre ou sous contrainte uniaxiale. Parallèlement, l'évolution de la microstructure du matériau a été étudiée par différentes techniques: microscope électronique à balayage, visualisation des produits de réaction par fluorescence des ions uranyle, calculs minéralogiques. Les principaux résultats expérimentaux ont été établis sur des bétons ordinaires à base de granulats calcaires (réactifs ou non) et de ciment Portland artificiel. Ils concernent principalement : - l'absence d'influence de l'état de contrainte du matériau sur l'évolution des processus physico-chimiques constituant l'alcali-réaction, ce qui permet d'envisager un calcul d'ouvrage par une approche de type 'déformations chimiques imposées', - le caractère secondaire, sur le plan du gonflement macroscopique, des phénomènes de nature osmotique, et la prépondérance de l'effet de la localisation des produits de réaction, - le rôle primordial, vis-à-vis du gonflement, de la quantité d'eau disponible au moment de la formation des produits de réaction, - la possibilité d'obtention de déformations atteignant 0,1% à partir de la seule eau de gâchage non utilisée par l'hydratation du ciment, - l'indépendance des phénomènes de transport d'eau par rapport à la présence d'alcaliréaction, - l'existence d'un seuil de dessiccation en dessous duquel l'alcali-réaction est bloquée jusqu'à l'arrivée de nouveaux apports d'eau, - la quantification de l'hétérogénéité intrinsèque, justifiant l'introduction d'un aléa sur le gonflement asymptotique, - le suivi de l'évolution des caractéristiques mécaniques, montrant le maintien des résistances en compression et en traction par fendage et une chute de l'ordre de 30% du module d'Young, liée à la fissuration des éprouvettes, - l'explication de l'origine de l'anisotropie du gonflement libre, due au sens du coulage et à l'anisotropie du béton, indépendamment de l'alcali-réaction, - la compréhension des causes de la forme sigmoïdale des courbes de gonflement, résultant de l'augmentation de l'espace poreux au fur et à mesure du développement de l'alcali-réaction et donc de la plus grande facilité de diffusion, - la mise en évidence de l'importance de la phase d'accélération des phénomènes (notion de temps de latence), dont la durée dépend des apports d'eau extérieurs, mais surtout de la température (dont l'effet est essentiellement cinétique). Ces résultats ont permis d'identifier les ordres de grandeur des paramètres fondamentaux d'une loi de comportement décrivant l'évolution d'un béton du même type que celui de plusieurs ouvrages atteints d'alcali-réaction, dans le Nord de la France.