Дисертації з теми "Béton d'argile – Propriétés thermomécaniques"

La construction en terre est considérée comme une construction verte en utilisant des matériaux disponibles localement avec un faible impact environnemental et une performance thermique supérieure. Malgré les avantages de ce matériau de construction, le processus de coulage est très consommateur de temps et d'énergie à cause de l’application de la compaction dynamique. Cette étude a pour but d'évaluer la faisabilité de formuler un béton de terre autoplaçant (BTAP) tout en étudiant ses performances rhéo-thermomécaniques et en identifiant les différents défis. Le premier défi est la présence de particules fines dans la terre, en particulier les particules argileuses, qui peuvent entraver la fluidité du BTAP. L’augmentation du temps de prise est le deuxième défi en raison de la faible teneur en ciment. Le dernier défi vient de la diversité des terres avec des comportements différents, ce qui rend difficile la proposition d'une ligne directrice complète pour la conception des BTAP.Des solutions potentielles ont été introduites pour réaliser le BTAP afin de remédier à l'inefficacité des matériaux en terre. Il s’agit essentiellement de comprendre l'efficacité de différents adjuvants chimiques en présence des systèmes de poudre ternaire (c'est-à-dire l'argile, le limon et le ciment). Une nouvelle approche de mortier du béton équivalent (MBE) a été introduite à la Phase 3. En conséquence, le MBE et les formulations de béton ont été étudiés pour vérifier la faisabilité du BTAP. Les caractéristiques hygrothermiques et microstructurales des BTAP optimisés ont été étudiées. Ce nouveau matériau offre une microstructure conduisant à une performance hygrothermique différente de celle des matériaux en terre conventionnels
The earth construction is identified as a green construction by using locally available materials with low environmental impacts and superior thermal performance. Besides all the advantages of this construction material, the casting process can be very time and energy consuming due to the nature of dynamic compaction. This study aimed to evaluate the feasibility of achieving self-consolidating earth concrete (SCEC) with introduction of its potential challenges and investigating its rheo-thermomechanical performance. As the first challenge, the presence of fine particles in earth, especially clay, can hinder the flowability of SCEC. Promoting the setting time is the second challenge due to the low cement content. The last challenge comes from the diversity of earth with different behaviors which makes it difficult to propose a comprehensive guideline to design SCEC.Potential solutions were introduced to achieve SCEC and address the inefficiency of earth materials. The main objective was to understand the efficiency of different chemical admixtures in presence of various ternary powder systems (i.e., clay, silt, and cement). A new concrete-equivalent mortar (CEM) approach was introduced in the Phase 3. Accordingly, the CEM and concrete mixtures were investigated to verify the feasibility of SCEC. The hygrothermal and microstructural characteristics of the selected SCEC mixtures were investigated. This novel material offers a new microstructural system, hence leading to a different hygrothermal performance compared to conventional earthen materials

Les centrale à lit fluidisé circulant (notés centrales L. F. C. ) permettent de brûler différents types de matériaux (charbon. Tourbe schiste bitumeux. . . ) avec un très bon rendement tout en respectant les normes de pollution. Par contre cette technologie gui met en œuvre des masses importantes de particules en mouvement à grande vitesse et à température élevée (850- 1 000°C est très agressive vis-à-vis de matériaux réfractaires utilisés en grande quantité dans ce type d'i installation. Le but de ce cette étude est d'analyser les caractéristiques thermomécaniques de différents réfractaires susceptibles d'être utilisés dans ces centrales. Ces matériaux ont été testés en flexion 4 points et en compression à température ambiante et à haute température. La résistance à la propagation de fissure de ces différents réfractaires a aussi été étudiés sur des éprouvette entaillées de type SENB et ceci à température ambiante et à haute température. Ces caractéristiques thermomécanique seront utilisées pour définir une loi de comportement et un critère d'endommagement par matériau afin de réaliser une modélisation des contraintes thermomécaniques au sein du matériau. Le choc thermique étant la principale cause de dégradation des réfractaires dans une centrale L. F. C, d' essais de choc thermique ont aussi été réalisés pour comparer ta résistance des différents réfractaires. L'analyse du comportement au choc thermique requérant une évaluation des champs de température et de contrainte dans les briques, une modélisation de l'essai à été réalisé, en utilisant les lois de comportement mise au point
Advanced power plants like Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) present the twofold advantages of allowing the combustion of low grade materials and the adhesion to recent environmental regulation for dust and gas emission. The refractories of such combustion chamber are submitted to erosion and thermal stresses. The purpose of the present work was to analyze the mechanical behavior of different refractories for these applications. Materials were tested in four point bending and in compression up to 900°C. A general behavior was observed for the different materials studied. An elastic part followed by a linear behavior with increasing damage and hysteresis. Various extents of the respective parts were however observed for the different materials. Also different evolutions with temperature were noticed. The crack propagation was also investigated at room and high temperatures by the SENB method and rising resistance with crack length were observed. As thermal shock is the main cause of refracatories degradation in PFBC, thermal shock tries and modelisation has also been made to compare the different refractories' resistance

Cette étude porte sur l’élaboration de nanocomposites à matrice polypropylène (PP) chargée de montmorillonite native (NaMMT). La stratégie retenue est basée sur l’utilisation d’une phase polaire intermédiaire sous forme de mélanges maîtres, dont l’élaboration est réalisée par extrusion avec injection d’eau.Dans une première partie la dispersion de NaMMT et à titre de comparaison de montmorillonite modifiée par extrusion assistée eau dans le polyamide 6 (PA6) a été étudiée grâce à une analyse de la morphologie et de son influence sur les propriétés thermomécaniques. Par la suite, des mélanges maîtres à base de PA6 ont été élaborés par ce procédé et dispersés dans le PP via une compatibilisation réactive. L’analyse de la morphologie, en relation avec les conditions d’élaboration et les performances des mélanges nanocomposites est ensuite présentée.Dans une deuxième partie, un copolymère bloc polyether-bloc-amide (PEBA) a été utilisé comme matrice hôte de NaMMT. Sa dispersion dans le PEBA par extrusion assistée eau a été étudiée par une étude morphologique liée aux propriétés thermomécaniques et aux mécanismes de déformation. Le PEBA a ensuite été utilisé comme phase intermédiaire pour disperser NaMMT dans le PP. L’analyse de la morphologie des mélanges nanocomposites est présentée, en lien avec leurs conditions d’extrusion et leurs propriétés macroscopique.Finalement, la comparaison des résultats obtenus dans le cas des mélanges nanocomposites à base PA6 et PEBA est proposée afin de mettre en évidence le rôle de la polarité de la phase intermédiaire, de la rhéologie des constituants et des conditions de procédé sur les propriétés macroscopiques des matériaux
This work focuses on polypropylene (PP)/clay nanocomposites based on pristine montmorillonite (NaMMT). The elaboration strategy involves the use of a polar polymer based masterbatch to disperse NaMMT in the PP matrix. Water assisted extrusion is used to finely disperse the native montmorillonite in the polar host polymer.In the first part, the dispersion of modified and pristine montmorillonite in polyamide 6 (PA6) using water assisted extrusion is presented. The morphological analysis of the PA6 nanocomposites and its outcome on the thermomechanical properties were studied. PA6 masterbatches were then elaborated using water assisted extrusion and dispersed in PP to obtain nanocomposites blends. Their morphologies are detailed, in relation with the processing conditions, and the related mechanical properties.In the second part, polyether-block-amide (PEBA) was used as host polymer to disperse modified and native montmorillonite. Their dispersion is obtained thanks to the water assisted extrusion process. The morphological analysis and its influence onto the thermomechanical properties and on the deformation mechanisms were studied. PEBA masterbatch were then prepared using water assisted extrusion and dispersed into PP to obtain nanocomposites blends. The study of their morphologies is presented, related to the extrusion conditions, and the corresponding macroscopic performances.Finally, the comparison of the results obtained in the case of PA6 and PEBA nanocomposites blends is discussed to evidence the influence of components rheology and polarity as well as the processing conditions onto the macroscopic behaviors of the materials

Comparés aux matériaux métalliques, les bétons réfractaires utilisés comme outillage de formage superplastique d'alliages d'aluminium ou de titane présentent de nombreux avantages, notamment au niveau des coûts matériaux et des coûts de mise en œuvre. Néanmoins, leur comportement fragile conduit souvent à la rupture de l'outillage lors des étapes de manutention et de démoulage. L'ajout de fibres métalliques, capables d'améliorer les performances mécaniques d'un béton réfractaire, est une solution pour contrer ce problème de fragilité. Cette étude a donc eu pour objectif d'optimiser Ie comportement thermomécanique d'un béton réfractaire renforcé de fibres métallique dans le domaine de température 20ʿC-1000ʿC. Dans un premier temps, les transformations microstructurales du béton réfractaire avec la température ont été identifiées. Elles ont notamment permis de définir un cycle de cuisson conduisant à une stabilité physico-chimique et dimensionnelle du matériau. Dans un deuxième temps I'étude présente une modélisation thermomécanique ayant pour objectifs l'optimisation au niveau micromécanique de l'efficacité des fibres et l'optimisation au niveau macromécanique de paramètres de formulation et de répartition des fibres. Un modèle micromécanique basé sur l'utilisation de la résistance des matériaux a été développé. Il intègre les mécanismes d'arrachement élémentaires mis en évidence au moyen d'un essai de pullout haute température, ainsi que l'effet du cycle de cuisson et de la température d'essai sur la résistance de l'interface fibre/matrice. La modélisation macromécanique est basée sur l'utilisation du modèle micromécanique,ainsi que sur la quantification de la répartition des fibres dans la matrice par stéréovision. Un essai de traction directe haute température a été développé et a conduit à la validation de ce modèle. Une étude paramétrique a ensuite permis de quantifier et de discuter l'influence de paramètres matériaux et de formulation.

Une réutilisation des sédiments issus du dragage en tant que matière première dans la fabrication d’un béton directement sur le site du dragage est une voie de valorisation économique et écologique. La présente étude a pour but de valoriser la partie fine des sédiments qui ne trouve pas de solutions de valorisation efficaces. En effet la structure en feuillet de l’argile la rend sensible aux conditions hydriques et lui confère une importante capacité de rétention des polluants. Afin d’optimiser les volumes à valoriser, le béton est envisagé en substitution totale des granulats par la fraction fine des sédiments. Les résultats apportés par la littérature tendent à privilégier une application en remblai tels que le remplissage entre deux rideaux de palplanches, un remblaiement géotechnique ou de carrières. Un procédé d’incorporation d’une mousse à base de protéine animale lors de la fabrication du béton est utilisé dans le cadre de cette étude pour alléger le matériau (densité comprise entre 1,1 et 1,3). Ce type de matériau fait donc partie de la catégorie des bétons légers de mousse plus communément appelée LWFC (LightWeight Foamed Concrete). Dans cette étude le matériau est désigné par le sigle BAMS (Béton Allégé par l’incorporation d’une Mousse et à base de Sédiments). L’étude a été réalisée sur un sol modèle constitué de 80% de bentonite et de 20% de sable correcteur de diamètre 0,125mm. La méthode de formulation est basée sur la limite de liquidité du sol afin de prendre en compte l’absorption de l’eau. La caractérisation du BAMS se scinde en trois parties ; La première partie correspond à la caractérisation à l’état frais du BAMS. Elle met en exergue une optimisation de l’abaissement de la densité à partir d’une certaine quantité d’eau apportée par rapport à la limite de liquidité du sol. L’allégement du matériau par l’incorporation d’une mousse modifie les propriétés du matériau à l’état frais ; elle améliore la fluidité et retarde la prise du ciment. La deuxième partie correspond à la caractérisation mécanique du BAMS ; l’eau apportée pour optimiser l’allégement du matériau impacte la résistance mécanique qui est jugée acceptable à partir de 0,5MPa. Celle-ci peut être améliorée en augmentant la quantité de ciment qui doit cependant rester faible pour rentabiliser la voie de valorisation. Il y a donc un compromis inévitable entre résistance mécanique et densité. Les combinaisons (densité ; résistance mécanique) possibles et les paramètres de formulations permettant de les atteindre ont été étudiés. Des essais non-destructifs sont effectués afin de contrôler la résistance mécanique in situ. L‘étude du retrait linéaire indique une variation dimensionnelle importante du BAMS de l’ordre du cm/m qui peut être divisé par 100 avec une cure humide. La troisième partie correspond à la durabilité par l’étude des propriétés de transfert du BAMS dont les résultats mettent en avant une accessibilité partielle du réseau poreux crée par la mousse incorporée.Le relargage des polluants dans les sédiments est évalué par un essai de lixiviation effectué sur un sol modèle pollué artificiellement (cas non-immergeable). Cet essai permet de valider l’efficacité de leur inertage par le traitement au ciment et l’utilisation du matériau sans impact environnemental selon le critère PH14
A re-use of dredged sediments as raw material in the process of making of concrete directly onthe site of the dredging is an interesting valorization as regards economy and environment.The present study aims at valuing the thin particles of sediments because they create aproblem in the valorization of dredged sediments. Indeed, the layer structure of the claymakes it prone to react to humidity conditions and confers it an important capacity to retainpolluting agents. To optimize the valued volumes, a total substitution of aggregates in theconcrete by the thin particles of sediments is envisaged. The results from the literature tend tofavor an application in embankment such as the filling between two sheet pile walls, a geotechnical embankment, a quarry embankment. An incorporation of an air-foam made ofanimal protein during the making of the concrete is used to reduce the density of the material(density between 1.1 and 1.3). This material is classified in the category of lightweight foam concrete called by the English abbreviation LWFC (LightWeight Foamed Concrete). In thisstudy the material is named BAMS acronym for “Béton Allégé par l’incorporation d’uneMousse et à base de Sédiments”. The study was realized with a model soil composed of 80%of bentonite clay and 20% of calibrated sand (diameter 0.125mm). The mix design method isbased on the liquidity limit of the soil considering its swelling. The characterization of theBAMS is split into three parts. The first part corresponds to the characterization of the freshstate of the BAMS. It highlights the optimization of the reduction of the density from aquantity of added water with regard to the liquidity limit of the soil. The incorporation of airfoam modifies the characteristics of the fresh state of the material. It improves the workability and delays the setting of cement. The second part corresponds to the mechanical characterization of the BAMS. The added water which optimizes the reduction of the density impacts the mechanical resistance which has to be over 0.5MPa. There is thus an inevitablecompromise between mechanical resistance and density. The possible combinations and themix design to get them have been studied. Non-destructive tests are done to simply check the mechanical performances on construction site. The study of the linear shrinkage highlights an important variation of the dimension of the BAMS. This can be limited by a wet cure. The third part corresponds to the durability by the study of the transfer properties of the BAMS.The results highlight a limited accessibility of the porous network. The release of polluting agents in sediments is estimated by a lixiviation test realized on BAMS made with a model soilartificially polluted (non immersible case). From the results we can conclude on the efficiency of the inerting of polluting agents by the cement treatment and therefore the use of the material is allowed without having an impact on environment (PH14)

L'objectif de ce travail est l'étude du comportement de deux bétons réfractaires silico-alumineux: un béton réfractaire à base d'andalousite et à très basse teneur en ciment et un béton réfractaire à base de bauxite et à ultra basse teneur en ciment. L'évolution de la microstructure lors de la première chauffe a été étudiée par dilatométrie, diffraction de rayons X et microscopie électronique à balayage environnementale à haute température. Un intérêt particulier a été porté aux rôles des granulats dans les mécanismes d'endommagement générés par le premier cycle thermique. Le comportement thermomécanique a été caractérisé à 20°C et à haute température en flexion 4 points et en traction uniaxiale. Les deux matériaux ont montré des évolutions différentes de leurs propriétés mécaniques. L'établissement de relations entre microstructures et comportement mécanique permet une meilleure compréhension des spécificités des deux matériaux et l'évolution de leurs comportements
The aim of this work is to study the behaviour of two high alumina refractory castables: a bauxite-based ultra low and an andalousite-based low cement content. The microstructure evolutions during the first heating were studied by dilatometry, X ray diffraction and environmental scanning electron microscopy at high temperature. A particular interest was carried to the roles of aggregates in the damage mechanisms generated by the first thermal cycle. The study of the mechanical behaviour was carried out by uniaxial tensile and four points bending tests. The two materials have shown different evolutions of their mechanical properties. The establishment of relationships between microstructures and mechanical behaviours allows to obtain a better understanding of the specificities of these materials and of their behaviour evolutions

Dans ce travail, un béton réfractaire silico-alumineux à base de granulats d'andalousite et à basse teneur en ciment a été renforcé par des fibres minérales. Elles appartiennent à deux grandes familles : les fibres de verre et les fibres à haute teneur en alumine. Le comportement thermomécanique du béton fibré a été caractérisé et analysé. Les mécanismes micromécaniques et microstructuraux qui pilotent ces comportements ont été identifiés. Ce travail a été fait d'une part à 20°C, en tenant compte de l'influence de la température de cuisson et d'autre part à haute température, après cuisson. Cette étude se base sur des résultats d'essais mécaniques jusqu'à 1 200°C, sur des observations microstructurales et sur la connaissance établie dans le domaine des bétons réfractaires non fibrés et fibrés mais également dans celui des bétons de génie civil fibrés. La démarche est basée sur l'établissement de relations entre la microstructure et le comportement thermomécanique, en considérant tout particulièrement l'endommagement aux basses températures ainsi que l'endommagement et la visco-plasticité aux hautes températures
Adding fibres in concretes can modify their mechanical behaviour. Changes essentially depend on the geometry and on the composition of introduced fibres (metal, glasses, ceramics. . . ), on their volume fraction, on the requested temperature and on the thermomechanical behaviour of the reinforced material. The concrete is a damageable material with a brittle or quasi-brittle behaviour whose properties in direct tension are the weakest. Main objective of the fibre reinforcement is to improve the tension behaviour. Fibres can delay the damage localization phenomenon, can increase the material deformation capacity, can allow a resumption of load after cracking and can increase the peak stress level. These characteristics are also representative of the case of refractory concretes. However, the temperature plays a major role on their mechanical behaviour and microstructural evolutions. The aim of this study is to obtain a better understanding of the thermomechanical behaviour and of the microstructural evolutions of refractory concretes reinforced with mineral fibres. Thus mechanical tests and microstructure observations have been performed in a wide temperature range. Mechanical tests deal with tension tests and four point bending tests. Main microstructure observations have been done by scanning electron microscopy. Complementary results of mechanical tests and microstructural observations have made possible to interpret the behaviour of the reinforced refractory concretes, particularly in terms of reinforcement mechanisms up to 1200°C

Ce mémoire de thèse est réalisé dans le cadre du Programme National de Recherche (DRuIDe), et a été menée sur deux types de bétons réfractaires à base de carbure de silicium (B-SF60, B-CV85) et à basse teneur en ciment. Une étude détaillée de l’évolution des propriétés thermomécaniques sous atmosphère oxydante et neutre des bétons et de leurs matrices associées a permis d’identifier les différentes transformations microstructurales. A température ambiante après traitement préalable à 110, 600, 800, 1000, 1200°C les bétons présentent un comportement élastique linéaire fragile sous une charge uniaxiale avec un module d’Young plus élevé pour B-CV85 en lien avec la teneur de SiC. Par contre, les lois de contrainte-déformation en température (800°C-1200°C) évoluent vers un comportement type élasto-visco-plastique en lien avec la viscosité de la phase vitreuse présente. Par ailleurs, une étude détaillée sur le comportement à l’oxydation de ces agrégats à permit d’établir des corrélations entre l’avancement de l’oxydation et les expansions volumiques constatées sur les bétons
The thesis work was part of the framework of the National Research Program (DRuIDe), and was carried out on two types of silicon carbide refractory castable containing SiC (B-SF60, B-CV85) with a low content of cement. Detailed studies of the evolution of the thermomechanical properties in oxidizing and neutral atmospheres on these refractories and their associated matrices have been carried out in order to identify the microstructural transformations. At room temperature after preliminary treatments at 110, 600, 800, 1000, 1200°C the refractories present a brittle linear elastic behaviour when subjected to uniaxial load with a higher value of Young’s modulus for B-CV85 in relationship with the content of SiC. The stress-strain behaviour laws at high temperature (800°C-1200°C) become elasto-visco-plastic in close relations to the viscosity of a vitreous phase witch is formed. A detailed study of the behaviour with oxidation of these aggregates (SIC) has established correlations between the advance of oxidation and the volume expansions observed in these concretes

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux
A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials

L'intégration des systèmes de conversion statique dans de nombreux domaines d'application de l'électronique de puissance est un enjeu majeur, comme peuvent en témoigner sa forte expansion dans les transports, ou dans la gestion et la distribution de l'énergie électrique. Un axe important de recherche du LAPLACE, dans le cadre du projet national 3DPHI, porte sur l'étude de convertisseurs intégrés mêlant diverses technologies en vue de mutualiser fonctions et matériaux. L'étude et la conception de ces nouveaux dispositifs (pour des applications de filtrage et/ou de stockage d'énergie par exemple) nécessitent leur modélisation. L'approche comportementale entrée-sortie peut, dans certains cas, être une alternative aux modèles à paramètres répartis dont les simulations sont coûteuses en temps et en moyens de calcul. La prise en compte de ces aspects répartis conduit alors à des opérateurs entrée-sortie non standard (non rationnels en particulier), dont la simulation temporelle n'est pas triviale. La Représentation Diffusive a été employée pour modéliser puis identifier les paramètres de ces opérateurs, à travers divers exemples du Génie Electrique. Des simulations sont comparées aux mesures, aussi bien dans le domaine fréquentiel que temporel et dans des cas de systèmes linéaires et non linéaires
Integration technologies in power electronics and energy conversion systems is one of the major trends nowadays, as proven by their rapid growth in the field of energy production, dispatching and management. Part of the research conducted at the Laplace Laboratory focuses on the study of integrated converters (via the National Research Foundation Program 3DPHI), while trying to combine dielectric and magnetic materials properties with integration techniques in order to achieve compact functional blocks. The design and study of complex systems using such new devices dedicated to energy storage and filtering often imply the development of accurate models. Behavioural modelling can be a very effective alternative to finite elements models, which are much more time and memory consuming. The introduction of spatially distributed effects leads to models involving non-standard operators (in particular non-rational ones), which are difficult to simulate in the time domain. Diffusive representation has been used to model and identify the parameters of these operators, as illustrated in this manuscript by some examples of devices encountered in electrical engineering. Simulation results are compared to actual measurements, both in the time domain and the frequency domain, and applied to the study of linear and non-linear systems

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet CNES-PERSEUS. L’objectif principal est l’étude et la caractérisation d’un béton réfractaire à base de carbure de silicium, avec une taille maximale d'agrégats de 800 microns, dans un environnement de type propulsion hybride. Le col de la tuyère doit résister à un environnement très oxydant, produit par la combustion de polyéthylène solide et de protoxyde d’azote liquide, avec des températures statiques de gaz qui peuvent atteindre 2800K. L’étude est divisée en trois parties : une caractérisation thermomécanique du matériau jusqu’à 1500K ; une étude du comportement à l’oxydation en atmosphère standard, sous un flux solaire maximal de 15 MW/m2 ; des tests au banc avec un moteur hybride à l'ONERA, sur des tuyères conçues et réalisées au laboratoire ICA. Le frittage et la céramisation du microbéton engendrent une densification du matériau et le passage de liaisons de type hydrauliques à des liaisons de type covalentes et ioniques, avec augmentation du module d'élasticité et de la contrainte à la rupture à haute température. Ce matériau présente un comportement visco-élastique-plastique aux hautes températures : il reste majoritairement élastique linéaire jusqu'à la température de stabilisation du matériau, puis une composante viscoplastique apparaît, provoquée par la formation de phases liquides à partir de la matrice cimentaire. Les tests d’oxydation à haute température ont été menés au laboratoire PROMES-CNRS, sur une installation solaire de 2 kW, permettant d'appliquer à un flux maximal de 15 MW/m2. Des observations MEB, en microscopie optique et des analyses EDS ont été menées pour étudier les évolutions microstructurales et la cinétique d’oxydation du matériau. Les tests d’oxydation à 15 MW/m2 ont montré des vitesses d'érosion maximales de l'ordre de 5 microns/s pour une température de 2800 K. L'érosion est générée par l'oxydation active et par la sublimation du carbure de silicium. L'oxydation active se développe à partir de 2100 K, avec formation de SiO et CO gazeux. La sublimation du carbure de silicium, à partir de 2600-2700 K, entraine la formation de Si, Si2C et SiC2 gazeux. Les essais menés sur les tuyères montrent une bonne résistance du matériau après 20 secondes de tir. Une vitesse d'ablation moyenne proche de 60 microns/s a été observée au col de la tuyère. Le comportement thermo-élastique-ablatable a été modélisé tout d'abord sur la base d'une géométrie cylindrique multicouche, puis étendue au cas de la tuyère expérimentale testée au banc d'essai
This research is part of the PERSEUS project, a space program concerning hybrid propulsion and supported by CNES. The main goal of this study is to characterize a silicon carbide based micro-concrete with a maximum aggregates size of 800 microns, in a hybrid propulsion environment. The nozzle throat has to resist to a highly oxidizing polyethylene/N2O hybrid environment, under temperatures ranging from room temperature up to 2800K. The study is divided in three main parts: the first one deals with the thermo-mechanical characterization of the materials up to 1500K, the second one with an investigation on the oxidation behaviour in a standard atmosphere, under a solar flux up to 15 MW/m2, the last part deals with the conception, the realization and the test of three nozzles in a hybrid rocket motor at ONERA. Elastic modulus was determined by resonant frequency method: results show an increase with the stabilisation temperature. Four points bending tests have shown a rupture tensile strength increasing with stabilization temperature, up to 1500 K. Sintering and ceramization process are primary causes of this phenomenon. Visco-plastic behaviour appears at 1400 K on a material staiblized at the same temperature, due to the formation of liquid phases in cement ternary system. High-temperature oxidation in air was carried out at PROMES-CNRS laboratory, on a 2 kW solar furnace, with a maximum solar flux of 15 MW/m2. Optical microscopy, SEM, EDS analyses were used to study the microstructure evolution and the mass loss kinetics, with a maximal erosion speed of 5 microns second. During theses tests, silicon carbide undergoes active oxidation at 2100 K, with production of SiO and CO smokes and ablation. SiC sublimation is observed since 2600-2700 K, with Si, Si2C and SiC2 vapour generation. Test performed on nozzle in hybrid rocket motors at ONERA, showed an average ablation speed at nozzle throat of 60 microns second, after 20 seconds of test. Thermo-elastic-ablative behaviour has been modelled using first composite cylinder geometry, and then it has been extended to the experimental nozzle geometry, tested on the test bench

Une étude expérimentale a été effectuée sur diverses formules de trois familles d’enrobés bitumineux avec des taux de recyclage variables et la présence ou non de régénérant. La composition des mélanges et le procédé de fabrication ont été élaborés afin d’effectuer une étude comparative. L’enrobage produit des variations des paramètres physico-chimiques des liants telles que la consistance, la température de transition vitreuse, les fractions cristallisables, les taux d’aromatiques et d’asphaltènes ; ces variations sont limitées en présence de régénérant. Lorsque le taux d’AE augmente, la compactibilité et l’orniérage des mélanges diminuent et leur rigidité viscoélastique augmente, mais le régénérant limite ces variations. Globalement, les AE produisent une augmentation de la résistance à la fatigue des formules et un aplatissement des droites de Wöhler. Le régénérant améliore le paramètre de fatigue ɛ6 ; les performances en fatigue augmentent avec la TBA et l’indice colloïdal du liant ainsi qu’avec la diminution de la viscosité de l’enrobé. L’impact favorable d’un taux élevé d’AE et du régénérant sur le trafic admissible a été déterminé suite au dimensionnement d’une structure souple tri-couche. À basse température, la détérioration par les AE de la ductilité en traction et de la température de rupture par retrait empêché se trouvent limitées par le régénérant ; un compromis est cependant à trouver avec la résistance à la fatigue. Les formules régénérées mises en œuvre sur la couche de roulement d’une route départementale ont subi une moindre évolution après six ans de service que les mélanges non régénérés
An experimental programme has been performed on three types of bituminous mixes with variable recycling rates and the possible addition of rejuvenator. The mix composition and the production process have been defined in order to perform a comparative analysis. The coating process modifies the physico-chemical parameters of the binders, like consistency, glassy transition temperature, cristallizable moiety, aromatics and asphaltenes rates; the above variations are limited by using the rejuvenator. As the RAP content increases, the compactibility and the rutting of the mixes decrease and the viscoelastic stiffness increases, but the rejuvenation reduces these variations. Globally, RAP increases the fatigue resistance of the mixes and flattens the Wöhler curve. Rejuvenation enhances ɛ6 fatigue parameter; fatigue performances increase with R&B temperature and colloidal index of the binder and as the viscous component of the mixes decreases. The positive impact of a high rate of RAP and of the rejuvenation on the allowable traffic has been evaluated from the structural design of a threelayered pavement. At low temperature, the deterioration of the tension ductility and of the stress restrained failure temperature produced by the RAP, is limited by the rejuvenation; a compromise with the fatigue resistance has to be found. The rejuvenated mixes laid as surface layers on a provincial road have experienced a smaller evolution that non rejuvenated mixes

Le réchauffement climatique et le coût élevé des matériaux de construction conventionnels (ciment, chaux, acier) nous obligent à recourir aux matériaux locaux, disponibles et sans effet négatif sur l’atmosphère. Il s’agit de blocs de terre comprimée (BTC) stabilisés par de la gomme arabique et renforcés avec de la paille de riz. L’objectif principal de ce travail est la valorisation des matériaux locaux et écologiques pour la construction des habitations durables. L’étude concerne la caractérisation mécanique, thermique et la durabilité des éprouvettes fabriquées avec de l’argile, du sable, de la gomme arabique, de la paille de riz et de l’eau en des différentes proportions. A cet effet, les pourcentages massiques de gomme arabique sont de 5%, 10% et 15%. Ceux de la paille de riz sont de 0,5%, 1%, 1,5% et 30% de sable sont retenus pour ce travail de recherche. Des briques en BTC de 30 x 15 x 8 cm et des éprouvettes de dimension 4 x 4 x 16 cm sont fabriquées pour réaliser les essais mécaniques. Une méthode « fil chaud » adaptée sur les éprouvettes cylindriques de 16 cm de diamètre sur 32 cm de hauteur est utilisée pour la détermination des conductivités thermiques. L’utilisation de la gomme arabique comme liant dans la construction a donné des résultats satisfaisants. A un taux de 15% de gomme arabique associée à une contrainte de compactage beaucoup plus élevée, nous permettent d’obtenir des BTC ayant une résistance mécanique acceptable ainsi qu'une meilleure résistance à l’eau de pluie. Les résultats mécaniques montrent que la gomme arabique améliore la résistance mécanique de même que la contrainte de compactage. Par contre l’utilisation de paille de riz dans le mélange fait chuter sa résistance mécanique et allège le matériau. Les valeurs de conductivité thermique mesurées, montrent que les différents échantillons ne peuvent pas être considérées comme étant des matériaux isolants. Les éprouvettes exposées aux aléas climatiques (pluie et humidité) pendant un mois montrent que les blocs de terre non stabilisés se sont détériorés sous la pluie. Par contre les éprouvettes stabilisées par la gomme arabique ont conservé leurs bonnes tenues. De même, des éprouvettes stabilisées et non stabilisées sont immergées dans l’eau. A partir de 15 min, toutes les éprouvettes sont détériorées. Les matériaux argileux stabilisés par la gomme arabique ne pourront pas servir en fondation dans la construction. Ce travail de recherche sera complété par des essais de vieillissement du matériau sur des différents échantillons pour sa validation comme nouveau matériau de construction durable
Global warming and the high cost of conventional building materials (cement, lime, steel) force us to use local, available materials with no negative effect on the atmosphere. These are compressed earth blocks (BTC) stabilized with arabic gum and reinforced with rice straw. The main objective of this work is the valorization of local and ecological materials for the construction of sustainable homes. The study concerns the mechanical, thermal and durability characterization of specimens made of clay, sand, arabic gum, rice straw and water in different proportions. For this purpose, the percentages of gum Arabic are 5%, 10% and 15%. Those of rice straw are 0.5%, 1%, 1.5% and 30% of sand are retained for this research work. BTC bricks measuring 30 x 15 x 8 cm and specimens measuring 4 x 4 x 16 cm are manufactured to perform the mechanical tests. A "hot wire" method adapted to cylindrical specimens 16 cm in diameter and 32 cm in height is used for the determination of thermal conductivities. The use of arabic gum as a binder in the construction has given satisfactory results. At a rate of 15% gum Arabic associated with a much higher compressive stress, allow us to obtain BTCs having an acceptable mechanical strength as well as a better resistance to rainwater. Mechanical results show that gum Arabic improves mechanical strength. As is the compaction constraint. By cons the use of rice straw in the mixture reduces its mechanical strength and lightens the material. The measured thermal conductivity values show that the different formulations cannot be considered as insulating materials. The specimens exposed to the climatic hazards (rain and moisture) for a month show that the unstabilized earth blocks have deteriorated in the rain. On the other hand, samples stabilized by gum Arabic have retained their good habits. Similarly, stabilized and unstabilized specimens are immersed in water. From 15 min, all test pieces are deteriorated. The clay materials stabilized by gum Arabic can not be used as a foundation in construction. This research work will be completed by aging tests on the various formulations for validation as a new sustainable building material

Les bétons légers, formés des fibres de bois et d’une pâte de ciment Portland, constituent une nouvelle alternative à explorer pour réduire l’impact environnemental des bâtiments. Ils sont utilisés dans la construction durable, comme des éléments secondaires, pour leurs performances thermiques, hydriques et mécaniques. Cependant, la généralisation de leur utilisation dans le bâtiment ne sera rendue possible sans résoudre certains verrous scientifiques liés à leur caractérisation et à leur formulation. Le présent travail s’inscrit dans cet objectif. Il s’agit de contribuer à la caractérisation de ces bétons légers à base des fibres de bois à travers l’expérience et la modélisation. Le module d’Young et la résistance à la rupture ont été mesurés par des tests de flexion et de compression. Un modèle numérique a été également développé pour prédire le comportement des éprouvettes en flexion et la réponse structurale des systèmes de coffrage permanent. La méthodologie numérique permet ainsi d’aider dans le choix des paramètres optimums pour une meilleure conception des panneaux de coffrage destinés à la construction. L’étude du comportement hygrothermique du matériau de construction bois-ciment a été abordée en s’appuyant sur l’expérience et la simulation. Les équations des transferts couplés de chaleur et d’humidité d’un milieu poreux ont été implémentées dans le logiciel Comsol Multiphysics®. En dernier, le modèle développé a été appliqué et validé sur plusieurs réponses dynamiques issues des tests hygrothermiques réalisés en interne. Les mesures des propriétés physico-thermique du matériau composite bois-ciment ont été ensuite intégrées dans le code Abaqus via une routine utilisateur Umatht dans l’objectif de simuler le comportement thermique à hautes températures des panneaux composites bois-ciment. Les profils des températures sont évalués et comparés à ceux des tests de carbonisation réalisés, à l’aide d’un panneau rayonnant, sur des échantillons exposés à un flux de chaleur uniforme de 6kW/m2. Les simulations montrent que le modèle développé est capable de prédire les profils de températures, la zone et la profondeur de la couche du charbon durant l’exposition au feu
Lightweight concretes made from wood fibres and Portland cement paste are a new alternative for the reduction of the environmental impact of buildings. They are used in sustainable constructions as secondary elements for their thermal, hydric and mechanical performance. However, the generalisation of their use is not possible without resolving certain scientific obstacles related to their characterisation. Hence the aim of the present work, which is to contribute towards their characterisation through experimentation and numerical simulation. The Young's modulus and tensile strength were measured through flexural and compression tests. A numerical model has also been developed to predict the behaviour of specimens under bending test as well as their structural response when used as permanent formwork. In particular, the model helps to choose the optimum parameters for a better design of the formwork system. The study of the hygrothermal behaviour of the wood-cement material was carried out using both experimental work and simulation. The equations of coupled heat and moisture transfers for a porous medium have been implemented in the Comsol Multiphysics® software. The developed model has been applied and validated on several dynamic responses resulting from hygro-thermal tests carried out in the laboratory. The obtained physico-thermal properties of the wood-cement composite material were then incorporated into the Abaqus code via a Umatht user subroutine to simulate its high temperature behavior. The temperature profiles are evaluated and compared with the charring tests performed using a radiant panel on samples exposed to a uniform heat flux of 6kW/m². The simulations show that the developed model is able to predict the temperature profiles, the area and the depth of the charred layer during fire exposure