Ce document représente ma candidature à l'habilitation à diriger des recherches au sein de l'Université Jean Monnet de Saint-Étienne.. Vous trouverez dans ce document un Curriculum Vitae détaillé et une synthèse de mes travaux de recherche. - Le Curriculum Vitae exhaustif fait apparaître la chronologie de mes activités dans les domaines de l'enseignement et de la recherche. Dans ce CV vous trouverez une liste des travaux et publications, une liste des mémoires dirigés. - La synthèse des travaux de recherche met en évidence les problématiques abordées et leurs positions dans le champ scientifique national et international.

Par une approche physico-chimique, nous étudions le comportement au fluage d'une résine époxy-amine du type dgeba-tmhda, en cours de durcissement. L'étude expérimentale est fondée sur des essais de traction et de fluage effectues sur des éprouvettes ayant vingt heures d'âge, correspondant à la fin du stade d'évolution initiale du réseau réticule a vingt degrés Celsius. Les mesures de la température de transition vitreuse par calorimétrie différentielle permettent de rendre compte de la formation du réseau macromoléculaire qui s'étale dans le temps. Nous montrons que le fluage de ces résines à différentes contraintes et différentes températures de sollicitation peut être modélisé par la relation de williams-watts et l'accord avec les résultats expérimentaux est satisfaisant. Les paramètres du modelé sont représentés dans la complaisance instantanée, la complaisance différée, le temps de retard et un exposant qui traduit la largeur du spectre. Il apparaît à travers l'étude de ces paramètres que l'effet de la contrainte s'exprime bien par la loi d'eyring et l'effet de la température par la loi d'arrhenius, dans le domaine vitreux du matériau.

La durabilité des structures en béton du génie civil est conditionnée par la diffusion d'espèces chimiques dans le réseau poreux du matériau cimentaire. C'est en particulier le cas avec le transport des ions chlore dans les bétons et avec la lixiviation et le séchage des matériaux à base de ciment. Des modélisations de ces phénomènes, basées sur la méthode des volumes finis, sont présentées dans ce travail dans le but de fournir des outils de prédiction de la dégradation des matériaux cimentaires. La dégradation chimique d'un matériau poreux est d'abord étudiée à partir d'un modèle simplifie de diffusion et de dissolution non instantanée. Des solutions analytiques correspondant à des cas limites sont comparées à celles obtenues par un schéma numérique de volumes finis. La concordance des résultats montre que cette méthode numérique simule parfaitement la progression de fronts de dissolution raides. Le modèle simplifie est ensuite étendu au cas de la lixiviation d'une pâte de ciment, permettant ainsi la restitution de résultats expérimentaux. Le transport des ions chlore est modélisé par une équation de diffusion-sorption. Le cas d'une isotherme de fixation de Freundlich conduit à un front de pénétration des chlorures, observe sur des résultats expérimentaux et une simulation numérique. Une modélisation des transferts hydriques en milieu poreux non sature est décrite dans la seconde partie et est appliquée au séchage isotherme de matériaux cimentaires faiblement perméables. La comparaison entre les résultats de cette modélisation et d'expériences de séchage sur bétons et pates de ciment permet l'identification du mode de transfert de l'humidité dans ces matériaux. Ce travail débouche sur une méthode de caractérisation de la perméabilité à l'eau des bétons faiblement perméables, paramètre difficilement accessible par les moyens d'investigation classiques.

Le comportement des matériaux granulaires est énéralement difficile à décrire par des approches tatistiques ou de mécanique des milieux continus. D'une part, il est difficile de trouver un volume élémentaire représentatif compte tenu des tailles des grains, d'autre part, les trajectoires des grains qui le constituent sont corrélées à cause de l'écoulement dense. Dans la première partie, nous nous penchons sur la description du modèle d'éléments discrets adopté dans cette étude. Nous nous intéressons également à l'effet des paramètres de simulation sur la qualité des échantillons et leurs réponses sous chargement axial quasi-statique. La deuxième partie est consacrée à l'étude du phénomène de tassement sous chargements périodiques. Une approche expérimentale est menée afin de comprendre les effets des grandeurs physiques qui peuvent, à<br />priori, influencer la vitesse de tassement. Ces résultats sont confrontés, par la suite, à l'approche numérique basée sur la dynamique moléculaire. Pour compléter l'étude du mécanisme de tassement, les effets de la granulométrie, de la forme des grains,<br />du degré de confinement et des paramètres de simulation sur la vitesse de tassement sont étudiés en utilisant l'approche discrète. Confrontés au coût élevé de la dynamique moléculaire, une nouvelle<br />approche de calcul de tassement à long terme a été proposée. Elle consiste à utiliser séquentiellement un calcul de dynamique moléculaire, une technique de prolongement et une méthode de relaxation afin de simuler à long terme l'écoulement de la matière au cours des cycles de chargement.

Le travail de cette thèse est consacré au développement d'un modèle de propagation des ondes élastiques dans un guide d'onde hélicoïdal soumis à une sollicitation axiale. Le contrôle non destructif des ressorts et des torons multi-brins est une application potentielle du modèle proposé. L'étude de la propagation des ondes dans un guide hélicoïdal soumis à un chargement axial nécessite l'écriture des équations tridimensionnelles de l'élastodynamique dans un système de coordonnées hélicoïdales. La méthode des éléments finis semi-analytique (SAFE) est ensuite appliquée en exploitant la propriété d'invariance par translation, réduisant ainsi le maillage à la section. Le problème aux valeurs propres obtenu peut être résolu en fixant le nombre d'onde ou la fréquence. Par ailleurs, le calcul de l'état précontraint statique est résolu par une technique d'homogénéisation hélicoïdale dans laquelle est prise en compte l'invariance de la structure. Le modèle de calcul statique est validé par un modèle analytique pour les ressorts et par un modèle éléments finis 3D pour les torons, issus de la littérature. Le modèle SAFE est validé pour les ressorts par un modèle de poutre hélicoïdale sous chargement axial. Il est montré que l'effet du chargement agit en fonction de la précontrainte et de la déformation de la géométrie et n'est significatif qu'en basses fréquences. Finalement, la propagation des ondes élastiques dans un toron à sept brins soumis à un chargement axial est analysée. Les courbes de dispersion obtenues numériquement sont comparées à des données expérimentales. Une bonne concordance est obtenue pour les premiers modes de type compression et le phénomène de fréquence "manquante" associé.

Les câbles d'ouvrages d'art sont sujets à deux principales causes d'endommagement :le fretting-fatigue et la corrosion. Ces dernières peuvent s'activer simultanément sur une même zone de câble et interargir en entraînant la rupture prématurée de ls constitutifs des câbles. Un dispositif expérimental, le banc de fretting-fatigue, permet de reproduire, à l'échelle du fil, les conditions de sollicitation des câbles de ponts à haubans ou de ponts suspendus.Une étude de fatigue et de fretting-fatigue en milieu corrosif a été menée. Elle a consisté à étudier l'endommagement de fils soumis à du fretting-fatigue dans une solution de chlorure de sodium. Dans ce cas, les durées de vie ne sont que faiblement modifiées. Deux phases ont alors été dissociées : une phase d'amorçage et une phase de propagation des fissures. Dans les conditions d'essais retenues, le fretting est prépondérant dans la phase d'amorçage de la fissure. Il a été choisi d'amorcer une fissure en fretting-fatigue puis de la faire propager en fatigue-corrosion. Quelques solutions ont été testées. La propagation dans une solution de thiocyanate d'ammonium montre une réduction significative de la durée de vie de l'éprouvette. Cette étude va se poursuivre en accélérant les phénomènes corrosifs grâce à des méthodes électrochimiques (imposition d'un potentiel ou d'un courant).

Les industries sidérurgiques et du manganèse génèrent des quantités de laitiers très importantes qui ne sont aujourd’hui que peu ou pas valorisées pour la formulation de liants hydrauliques dans le domaine des matériaux de construction. Si le laitier de haut fourneau moulu est bien intégré dans la filière des matériaux de construction, le laitier de convertisseur est majoritairement utilisé sous forme de granulats et le laitier de silicomanganèse granulé n’est aujourd’hui pas valorisé dans cette filière. Les sociétés ArcelorMittal, Ecocem et Eramet produisent ou exploitent ces laitiers, très différents de par leurs origines compositions et propriétés, et cherchent à développer des filières de valorisation pour ce type de coproduit. Des études ont déjà montré que le laitier de convertisseur et le laitier de silicomanganèse peuvent être intégrés au sein de matrices cimentaires en remplacement partiel du ciment, mais peu de données sont disponibles sur la connaissance des mécanismes d’hydratation de ces systèmes cimentaires à base de laitier, sur la faisabilité de tels systèmes et sur l’impact environnemental que peut impliquer l’utilisation de ces laitiers. Nos travaux de recherche ont porté, sur la caractérisation des laitiers étudiés, en particulier sur la granulométrie, la chimie et la microstructure, puis sur leur réactivité. Les résultats ont montré que le laitier de silicomanganèse peut être comparable au laitier de haut fourneau du point de vue de son hydraulicité latente mais qu’il présente une chimie différente avec notamment une teneur en chaux moindre et une faible part de résidu inerte (10%). Le laitier de convertisseur, qui présente une partie inerte (23%) constituée de composés riches en fer, est fortement basique compte tenu de la présence de chaux et de portlandite et présente un faible comportement hydraulique. La formulation de systèmes cimentaires binaires (ciment/laitier) a permis de montrer que le laitier de silicomanganèse ajouté à du ciment Portland forme, comme le laitier de haut fourneau, des hydrates similaires (silicates de calcium hydratés) qui participent au développement des résistances mécaniques. Le laitier de silicomanganèse peut donc être un bon matériau de remplacement du ciment pour la formulation de liants hydrauliques dans le domaine des matériaux de construction. Le laitier de convertisseur présente une plus faible activité hydraulique que les autres laitiers et participe peu au développement de la résistance mécanique des systèmes cimentaires à court terme. Cependant, sa forte basicité en fait un bon activateur des laitiers hydrauliques latents. Des systèmes ternaires (laitier de convertisseur/ciment/laitier hydraulique latent) ont donc été réalisés et ont permis de montrer la capacité du laitier de convertisseur à activer le laitier de haut fourneau ou le laitier de silicomanganèse. Ces systèmes cimentaires, composés au minimum de 80 % de laitiers, présentent des performances mécaniques intéressantes pour le domaine des liants hydrauliques routiers. En complément de l’aspect formulation, une étude environnementale a été menée et a permis de montrer que les laitiers ne présentent pas de risque vis-à-vis du relargage de polluants lors de leur utilisation comme composants de matériaux hydrauliques routiers.

Dès l'étape de conception, l'augmentation de la durée de vie d'un ouvrage tout en diminuant le coût et les délais associés à sa maintenance est une idée prioritaire.Dans le cas d'un ouvrage en béton précontraint, la durée de vie est conditionnée par la résistance dans le temps des deux matériaux utilisés,le béton et l'acier. Cependant, le retour d'expérience montre que la principale cause de dégradation des ouvrages est liée à la corrosion des armatures en acier. Celle-ci se manifeste par deux grands phénomènes,la corrosion sous contrainte induite par les chlorures (CSC) et la fragilisation par hydrogène(FpH.). Pour y faire face, l'utilisation de matériaux plus résistants à la corrosion, comme les aciers inoxydables est envisagée. L'objectif de ce travail est de caractériser et de comparer la résistance à la CSC et à la FpH. de deux nuances d'aciers inoxydables à hautes caractéristiques mécaniques. La nuance duplex 1.4362 et la nuance austénitique 1.4310 ont été choisies pour leur faible taux en éléments d'alliage, qui leur confère un coût relativement bas, en comparaison aux autres nuances d'aciers inoxydables. Pour l'étude de ces nuances, la mise au point de tests adaptés,constitue la première phase de ce travail. Pour étudier le comportement des deux nuances vis-à-vis de la corrosion sous contrainte, le choix s'est porté sur un essai à vitesse de déformation constante (traction lente). La sévérité de ce type d'essai nous a permis d'observer l'apparition d'une microfissuration pour des temps d'essais inférieurs à 1 semaine. Bien que la morphologie de la microfissuration observée soit différente pour les deux nuances, celle-ci semble induite, au moins en partie, par la martensite d'écrouissage. Cette dernière semble aussi influencer la résistance des deux nuances à la fragilisation par hydrogène. D'autre part, la comparaison des deux nuances semble indiquer que la microstructure de type duplex confère à la nuance 1.4362 une très bonne résistance à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par hydrogène. Ce qui la rend intéressante pour une application en précontrainte.

Un des défis concernant les cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2 est le remplacement de la couche tampon de CdS déposée par bain chimique (CBD) par un matériau exempt de Cd déposé sous vide. L'objectif de ce travail est d'évaluer le potentiel des couches minces de Zn(O,S) déposées par co-pulvérisation cathodique RF (PVD) en tant que couche tampon alternative. Les propriétés matériau de ces couches ont été tout d'abord comparées à une référence (CBD)Zn(O,S) dont les conditions de dépôt ont été préalablement optimisées. Pour une composition équivalente, la technique de dépôt employée semble avoir un fort impact sur les propriétés optiques et structurales des couches. Le comportement électrique des dispositifs résultants s'en trouve également affecté. Dans le cas des cellules à couche tampon (CBD)Zn(O,S), nous avons mis en évidence la nécessité de prendre en compte l'ensemble du dispositif pour comprendre les phénomènes observés. Ces progrès ainsi qu'une meilleure compréhension des propriétés des couches (CBD)Zn(O,S) nous ont permis de réaliser des dispositifs stables sous éclairement avec des rendements de 16 % (sans couche anti-reflet). Pour les cellules à couche tampon (PVD)Zn(O,S), l'ajustement du taux de soufre a permis de contrôler l'alignement de bande à la jonction absorbeur/couche tampon et de permettre l'obtention de Jsc comparables à ceux des cellules avec (CBD)Zn(O,S). Bien que la structure telle quelle de la couche tampon (PVD)Zn(O,S) pour une teneur en soufre optimale ne permette pas d'obtenir les Voc attendus, ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives de recherche sur la compréhension des hétéro-interfaces dans les cellules solaires Cu(In,Ga)Se2

Sachant que les techniques d'auscultation electromagnétiques non destructives (EM) sont sensibles à de nombreux paramètres d'état des bétons, l'objectif de ce projet de recherche est d'étudier le potentiel de ces méthodes d'investigation EM pour évaluer la durabilité des bétons et détecter la présence d'agents agressifs. Dans un premier temps une cellule de mesure EM coaxiale-cylindrique et une cellule de résistivité multi-anneaux (mise au point conçue dans cette thèse) ont été utilisées pour une étude paramétrique. Des modèles de régression multi-linéaires ont été développés pour chaque observable EM (résistivité électrique et permittivité diélectrique) en fonction du degré de saturation, de la teneur en chlorures, de la porosité et du coefficient de diffusion de différentes formulations de bétons et mortiers. Dans un deuxième temps, des techniques de mesure EM in-situ ont été utilisées sur des corps d'épreuve homogène pour évaluer leur état : un capteur de résistivité multi-électrodes, développé dans le cadre de cette thèse, un capteur capacitif et un système radar. Ces techniques ont été combinées pour donner une estimation quantitative du taux de saturation, de la teneur en chorures et de la porosité des mélanges par optimisation non-linéaire des modèles de régression, développés dans la phase précédente. Enfin, l'aptitude de ces techniques in-situ à détecter des gradients a également été étudiée. Il a été constaté que la tomographie de résistivité électrique (TRE) utilisant le nouveau système multi-électrodes était particulièrement adapté à la détermination de gradients dans le béton d'enrobage.