Pumping is the most efficient transportation and placing method for concrete. Despite the immense progress in the field of concrete technology in the last years, so far there are still neither official regulations nor verified theoretical foundations to be used for the assessment and accurate prediction pumping behaviour of ordinary and high performance concretes. This thesis aims at purposefully investigating pumping of modern concretes and bridging the existing knowledge gap. The main achievement of the present research is the development and verification of a sitecompliant and scientifically based methodology for characterisation and prediction of fresh concrete pumping behaviour. The research focus is set on the importance of the forming lubricating layer (LL) during pumping. Within an extended experimental program, the properties of the LL are captured and quantified. They determine the reduction of friction at the pipe wallconcrete interface and thereby govern the concrete flow. It is proven that the composition and the rheological properties of the forming LL exert an enormous impact on pumping since most of the induced shear stress by pumping pressure is concentrated in this layer. In a further step, the flow pattern of concrete is analytically and numerically determined. The concrete exhibits various principal flow types which are already defined at low flow rates: plug flow in case of strainhardening cementbased composite (SHCC), partial concrete bulk shear in ordinary concretes and pronounced bulk shear for selfcompacting concrete (SCC). The results from the fullscale pumping campaign are confronted with the existing pressure performance nomogram on the determination of pumping parameters. The nomogram’s prediction capacity is extended and verified for highly flowable concretes by replacing the slump and flow table results with the viscosity parameter of the LL. Furthermore, the challenges during pumping of concrete, inter alia, priming of the pipeline, blockage formation and final cleaning, are exemplified, and recommendations for the practitioners are provided. Finally, the transfer of the developed scientifically based and ready to use methodology on site is strongly advocated as a part of the future in situ rheology monitoring concept towards envisaged full automation of concrete production and casting processes.:ZUSAMMENFASSUNG V ABSTRACT VII VORWORT DES HERAUSGEBERS IX DANKSAGUNG XI SYMBOLS XVII INTRODUCTION 1 1.1 FLASHLIGHTS ON HISTORY 1 1.2 MOTIVATION 1 1.3 RESEARCH FIELD 3 1.4 RESEARCH CONCEPT 6 1.5 ECONOMIC RELEVANCE 8 1.6 STRUCTURE AND BOUNDARIES OF THE THESIS 10 STATE OF THE ART 13 2.1 GENERAL 13 2.2 CONCRETE FLOW IN PIPELINE 13 2.3 INFLUENCE OF CONCRETE RHEOLOGY ON PUMPING BEHAVIOUR 16 2.3.1 CEMENT HYDRATION 16 2.3.2 MIXTURE COMPOSITION 17 2.3.2.1 WATER-TO-BINDER RATIO AND PASTE VOLUME 18 2.3.2.2 AGGREGATES 20 2.3.2.3 ADMIXTURES AS PUMPING AIDS 22 2.3.3 HYDRODYNAMIC INTERACTIONS 25 2.3.4 SHEAR HISTORY 27 2.3.5 TEMPERATURE 28 2.4 FORMATION OF LUBRICATING LAYER 30 2.4.1 FLOW-INDUCED PARTICLE MIGRATION 30 2.4.2 PROPERTIES 31 2.4.3 EXPERIMENTAL CHARACTERISATION 32 2.5 BOUNDARY CONDITIONS 32 2.6 PUMPING EQUIPMENT 34 2.7 PRIMING 35 3 APPLIED METHODS 37 3.1 GENERAL 37 3.2 RHEOMETRY 37 3.3 DIRECT DETERMINATION OF PUMPING PRESSURE 40 3.4 SAMPLING AND PRODUCTION OF LUBRICATING MATERIAL 42 3.5 MEASUREMENT OF FILTRATE AMOUNT 45 3.6 ANALYTICAL DETERMINATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 47 3.7 SMALL-SCALE PUMPING 49 3.8 FULL-SCALE PUMPING 50 3.9 NUMERICAL METHOD 56 3.9.1 MATERIAL MODEL 56 3.9.2 NUMERICAL IMPLEMENTATION 58 4 CHARACTERISATION OF CONCRETE PUMPABILITY 63 4.1 GENERAL 63 4.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 63 4.3 COMPARISON BETWEEN REFERENCE AND DESIGN MORTARS 65 4.4 RESULTS AND DISCUSSION 65 4.4.1 RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF CONCRETES AND DESIGN MORTARS 65 4.4.2 INFLUENCE OF WALL ROUGHNESS ON RHEOLOGICAL PARAMETERS 67 4.4.3 PREDICTION OF PUMPING PRESSURE 72 4.5 SUMMARY 74 5 LUBRICATING LAYER THICKNESS AND CONCRETE FLOW 75 5.1 GENERAL 75 5.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 75 5.3 RESULTS AND DISCUSSION 76 5.3.1 CONCRETE FLOW TYPE 76 5.3.2 PREDICTION AND VERIFICATION OF PUMPING PRESSURE 77 5.3.3 QUANTIFICATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 79 5.4 SUMMARY 82 6 FULL-SCALE PUMPING EXPERIMENTS 83 6.1 GENERAL 83 6.2 MIXTURES AND DESIGN PARAMETERS 83 6.3 RESULTS AND DISCUSSION 85 6.3.1 PRESSURE LOSS AND PRESSURE-FLOW RATE CURVES 85 6.3.2 NUMERICAL SIMULATION RESULTS 86 6.3.3 PRESSURE PREDICTION USING MODIFIED NOMOGRAM 88 6.3.4 COMPARISON BETWEEN PREDICTED AND ACTUAL PRESSURE-FLOW RATE CURVES 90 6.4 SUMMARY 92 7 EFFECT OF PUMPING ON FRESH PROPERTIES OF CONCRETE AND FILTRATE FORMATION 95 7.1 GENERAL 95 7.2 MIXTURES DESIGN PARAMETERS 95 7.3 INFLUENCE OF PUMPING ON PROPERTIES OF FRESH CONCRETE 97 7.4 INFLUENCE OF CONCRETE PROPERTIES ON KINETICS OF FILTRATE FORMATION 98 7.5 IMPACT OF FILTRATE AMOUNT ON PUMPABILITY 101 7.6 SUMMARY 104 8 CHALLENGES RELATED TO PUMPING OF CONCRETE 105 8.1 GENERAL 105 8.2 PRIMING GROUT 105 8.3 PIPELINE GEOMETRY 108 8.4 BLOCKAGES 113 8.5 FILLING DEGREE OF PUMP PISTONS 116 8.6 TEMPERATURE CONTROL 117 8.7 VERTICAL PUMPING 118 8.8 CLEANING THE PIPELINE 119 8.9 SUMMARY 120 9 FINAL CONCLUSIONS AND OUTLOOK 121 9.1 GENERAL 121 9.2 CONCRETE FLOW TYPE 121 9.3 LUBRICATING LAYER PROPERTIES 121 9.4 RHEOLOGICAL DEVICES 122 9.5 FILTRATE FORMATION 122 9.6 NUMERICAL SIMULATIONS 122 9.7 MODIFIED NOMOGRAM 123 9.8 RELEVANCE OF PUMPING EXPERIMENTS 123 9.9 INFLUENCE OF PUMPING ON FRESH CONCRETE PROPERTIES 124 9.10 GENERATED DATABASE 124 9.11 IMPROVING NUMERICAL MODEL 124 9.12 TODAY AND TOMORROW 124 BIBLIOGRAPHY 127 APPENDIX A 135 A.1 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 4 AND 5 135 A.2 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 6, 7 AND 8 136 APPENDIX B 137 APPENDIX C 141 LIST OF SELECTED PUBLICATIONS 143 JOURNALS 143 CONFERENCE PAPERS 143 CURRICULUM VITAE 145 / Das Pumpen stellt die effektivste Methode für das Fördern und Einbringen von Frischbeton auf der Baustelle dar. Trotz der in den letzten Jahren erreichten deutlichen Fortschritte auf betontechnologischem Gebiet existieren für die Beurteilung der Pumpbarkeit von Beton bisher weder offiziell gültige Vorschriften noch abgesicherte theoretische Grundlagen, die eine zielsichere Vorhersage des Pumpverhaltens von Normal- als auch Hochleistungsbetonen ermöglichen. Die vorliegende Arbeit schließt entsprechende Wissenslücken und befasst sich gezielt mit dem Pumpen moderner Betone. Grundlegenden Erkenntnisgewinn stellt die Entwicklung einer wissenschaftlich fundierten, baustellengerechten Prüfmethodik zur Charakterisierung und Vorhersage des Pumpverhaltens von Frischbeton dar. Der Untersuchungsfokus richtet sich auf die Wirkung der sich beim Pumpvorgang ausbildenden Gleitschicht. Ein umfangreiches Untersuchungsprogramm gestattet die Erfassung und Quantifizierung der Eigenschaften dieser Schicht. Sie bestimmen infolge deutlicher Reduzierung der Reibung an der Grenzfläche zwischen Rohrwandung und Beton die Betonströmung entscheidend. Bewiesen wird, dass Betonzusammensetzung und rheologische Eigenschaften der Gleitschicht maßgebende Auswirkungen auf den Pumpvorgang haben, da sich die pumpdruckinduzierte Scherspannung in dieser Schicht konzentriert. Weiterhin erfolgt sowohl eine analytische als auch numerische Charakterisierung der Betonströmung im Rohr. Nachgewiesen wird, dass sich beim Pumpvorgang betonspezifisch unterschiedliche Strömungsarten einstellen, die bereits bei niedrigen Durchflussmengen definiert sind: Pfropfenströmung in hochduktilen Betonen, partielle Scherung des Kernbetons in Normalbetonen und signifikante Scherung in selbstverdichtenden Betonen. Aus großtechnisch durchgeführten Pumpversuchen gewonnene Ergebnisse werden dem derzeit vorhandenen, verbesserungsbedürftigen Betondruck-Leistungs-Nomogramm zur Einstellung von Parametern an der Betonpumpe gegenübergestellt. Die Vorhersagekapazität des Nomogramms kann durch den Ersatz der Ausbreit- bzw. Setzfließmaßangaben mit Viskositätsangaben der Gleitschicht erweitert und verifiziert werden. Des Weiteren werden baustellenbezogene Herausforderungen im Gesamtprozess des Betonpumpvorgangs, u. a. Vorbereitung der Rohrleitung vor dem Pumpen, Auftreten von Stopfern und Endreinigung exemplarisch dargestellt sowie Empfehlungen für die Praktiker erarbeitet. Schließlich wird der Transfer der in dieser Arbeit entwickelten wissenschaftlich basierten und anwendungsbereiten Methodik als Teil des zukünftigen Konzeptes für die in-situ Rheologie-Überwachung hinsichtlich einer angestrebten vollständigen Automatisierung von Fertigungs- und Einbringprozessen von Beton mit Nachdruck empfohlen.:ZUSAMMENFASSUNG V ABSTRACT VII VORWORT DES HERAUSGEBERS IX DANKSAGUNG XI SYMBOLS XVII INTRODUCTION 1 1.1 FLASHLIGHTS ON HISTORY 1 1.2 MOTIVATION 1 1.3 RESEARCH FIELD 3 1.4 RESEARCH CONCEPT 6 1.5 ECONOMIC RELEVANCE 8 1.6 STRUCTURE AND BOUNDARIES OF THE THESIS 10 STATE OF THE ART 13 2.1 GENERAL 13 2.2 CONCRETE FLOW IN PIPELINE 13 2.3 INFLUENCE OF CONCRETE RHEOLOGY ON PUMPING BEHAVIOUR 16 2.3.1 CEMENT HYDRATION 16 2.3.2 MIXTURE COMPOSITION 17 2.3.2.1 WATER-TO-BINDER RATIO AND PASTE VOLUME 18 2.3.2.2 AGGREGATES 20 2.3.2.3 ADMIXTURES AS PUMPING AIDS 22 2.3.3 HYDRODYNAMIC INTERACTIONS 25 2.3.4 SHEAR HISTORY 27 2.3.5 TEMPERATURE 28 2.4 FORMATION OF LUBRICATING LAYER 30 2.4.1 FLOW-INDUCED PARTICLE MIGRATION 30 2.4.2 PROPERTIES 31 2.4.3 EXPERIMENTAL CHARACTERISATION 32 2.5 BOUNDARY CONDITIONS 32 2.6 PUMPING EQUIPMENT 34 2.7 PRIMING 35 3 APPLIED METHODS 37 3.1 GENERAL 37 3.2 RHEOMETRY 37 3.3 DIRECT DETERMINATION OF PUMPING PRESSURE 40 3.4 SAMPLING AND PRODUCTION OF LUBRICATING MATERIAL 42 3.5 MEASUREMENT OF FILTRATE AMOUNT 45 3.6 ANALYTICAL DETERMINATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 47 3.7 SMALL-SCALE PUMPING 49 3.8 FULL-SCALE PUMPING 50 3.9 NUMERICAL METHOD 56 3.9.1 MATERIAL MODEL 56 3.9.2 NUMERICAL IMPLEMENTATION 58 4 CHARACTERISATION OF CONCRETE PUMPABILITY 63 4.1 GENERAL 63 4.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 63 4.3 COMPARISON BETWEEN REFERENCE AND DESIGN MORTARS 65 4.4 RESULTS AND DISCUSSION 65 4.4.1 RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF CONCRETES AND DESIGN MORTARS 65 4.4.2 INFLUENCE OF WALL ROUGHNESS ON RHEOLOGICAL PARAMETERS 67 4.4.3 PREDICTION OF PUMPING PRESSURE 72 4.5 SUMMARY 74 5 LUBRICATING LAYER THICKNESS AND CONCRETE FLOW 75 5.1 GENERAL 75 5.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 75 5.3 RESULTS AND DISCUSSION 76 5.3.1 CONCRETE FLOW TYPE 76 5.3.2 PREDICTION AND VERIFICATION OF PUMPING PRESSURE 77 5.3.3 QUANTIFICATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 79 5.4 SUMMARY 82 6 FULL-SCALE PUMPING EXPERIMENTS 83 6.1 GENERAL 83 6.2 MIXTURES AND DESIGN PARAMETERS 83 6.3 RESULTS AND DISCUSSION 85 6.3.1 PRESSURE LOSS AND PRESSURE-FLOW RATE CURVES 85 6.3.2 NUMERICAL SIMULATION RESULTS 86 6.3.3 PRESSURE PREDICTION USING MODIFIED NOMOGRAM 88 6.3.4 COMPARISON BETWEEN PREDICTED AND ACTUAL PRESSURE-FLOW RATE CURVES 90 6.4 SUMMARY 92 7 EFFECT OF PUMPING ON FRESH PROPERTIES OF CONCRETE AND FILTRATE FORMATION 95 7.1 GENERAL 95 7.2 MIXTURES DESIGN PARAMETERS 95 7.3 INFLUENCE OF PUMPING ON PROPERTIES OF FRESH CONCRETE 97 7.4 INFLUENCE OF CONCRETE PROPERTIES ON KINETICS OF FILTRATE FORMATION 98 7.5 IMPACT OF FILTRATE AMOUNT ON PUMPABILITY 101 7.6 SUMMARY 104 8 CHALLENGES RELATED TO PUMPING OF CONCRETE 105 8.1 GENERAL 105 8.2 PRIMING GROUT 105 8.3 PIPELINE GEOMETRY 108 8.4 BLOCKAGES 113 8.5 FILLING DEGREE OF PUMP PISTONS 116 8.6 TEMPERATURE CONTROL 117 8.7 VERTICAL PUMPING 118 8.8 CLEANING THE PIPELINE 119 8.9 SUMMARY 120 9 FINAL CONCLUSIONS AND OUTLOOK 121 9.1 GENERAL 121 9.2 CONCRETE FLOW TYPE 121 9.3 LUBRICATING LAYER PROPERTIES 121 9.4 RHEOLOGICAL DEVICES 122 9.5 FILTRATE FORMATION 122 9.6 NUMERICAL SIMULATIONS 122 9.7 MODIFIED NOMOGRAM 123 9.8 RELEVANCE OF PUMPING EXPERIMENTS 123 9.9 INFLUENCE OF PUMPING ON FRESH CONCRETE PROPERTIES 124 9.10 GENERATED DATABASE 124 9.11 IMPROVING NUMERICAL MODEL 124 9.12 TODAY AND TOMORROW 124 BIBLIOGRAPHY 127 APPENDIX A 135 A.1 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 4 AND 5 135 A.2 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 6, 7 AND 8 136 APPENDIX B 137 APPENDIX C 141 LIST OF SELECTED PUBLICATIONS 143 JOURNALS 143 CONFERENCE PAPERS 143 CURRICULUM VITAE 145

The objective of this research is to develop a water-based processing method for incorporating large filler loadings into nanocomposite systems. Specifically, cellulose nanocrystal/poly(vinyl alcohol) (CNC/PVA) nanocomposite aqueous suspensions and films were processed and characterized at CNC loadings up to 67 wt.% with respect to polymer concentration. Both aqueous suspended and freeze-dried CNCs were studied with this method. Two methods for incorporating the CNCs were investigated: solution processing and batch mixing of aqueous suspensions. The materials produced by these methods were characterized using rheology of aqueous suspensions and a method for understanding the morphology of these aqueous suspension through rheological characterization was developed. The CNC/PVA suspensions were dried and the structure of the film studied using x-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, and differential scanning calorimetry. With regard to characterization of polymer structure by these methods, PVA crystallinity was seen to increase with increasing CNC loading. Finally, dynamic mechanical analysis and micro-tensile testing were conducted on consolidated films and CNCs were seen to increase modulus, yield stress but decrease strain at failure. Biodegradation studies were also conducted and CNCs were seen to increase the biodegradation characteristics of PVA. While the general trends in experimental data were the same, differences in properties between systems made with solution processing and batch mixing were observed, attributed to differences in the CNC dispersion. Overall, results indicated that this methodology is feasible for the industrially scalable production of highly loaded nanocomposites.

Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés à prédire les caractéristiques rhéologiques de suspensions de particules dans des situations non newtoniennes. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement le comportement rhéologique de suspensions bidisperses de particules non colloïdales et non browniennes immergées dans un fluide à seuil dans les situations où les interactions entre particules sont hydrodynamiques (mécaniques). Nous avons montré que l'influence de la polydispersité des particules sur le module élastique et le seuil de contrainte de la suspension pouvait être décrit en utilisant un modèle d'empilement développé pour les matériaux granulaires secs. Deux relations analytiques simples permettant d'estimer le module élastique et la contrainte seuil d'une suspension non newtonienne polydisperse en fonction des caractéristiques des constituants ont alors été proposées et validées. Nous nous sommes ensuite intéressés à la prédiction des caractéristiques globales de suspensions contenant une forte concentration de particules de taille différente dans le cadre d'une approche par changement d'échelle. Pour cela, nous avons mis en uvre une approche par motifs morphologiques permettant la prise en compte de paramètres géométriques tels que la distribution de tailles des inclusions ou les distances entre particules voisines. Les résultats de ce modèle ont été validés par comparaison avec des données expérimentales de la littérature. Nous avons ensuite montré que les modèles morphologiques permettaient également de décrire l'évolution des modules complexes d'un matériau thixotrope subissant une transition de phase liquide-solide due à la croissance et la percolation d'un réseau de particules attractives. Dans la dernière partie de cette étude, nous avons étudié expérimentalement l'influence de l'histoire de cisaillement sur la structuration et la déstructuration d'une suspension colloïdale thixotrope / In this work, we aimed to predict the rheological properties of suspensions of particles in non-Newtonian fluids. We first studied experimentally the rheological behaviour of bidisperse suspensions of non colloidal particles and non-Brownian immersed in a yield stress fluid in situations where interactions between particles are hydrodynamic (mechanical). We showed that the influence of the polydispersity on the elastic modulus and yield stress of the suspension could be described using a packing model developed for dry granular materials.Two simple closed form estimates for both the elastic modulus and the yield stress of non-Newtonian polydisperse suspension as a function of the characteristics of the constituents were proposed and validated. This study was then extended in a micromechanical analytical framework to predict the macroscopic characteristics of suspensions containing highly concentration of particles with different size. Our ne w model, called a "Morphologically Representative Pattern - Based Approach" (MRP-based approach), successfully predicts the behaviour of such materials by taking into account some geometrical parameters such as the particle size distribution or the distance between the nearest-neighbour particles. This model has been validated by a comparison with the experimental data in the literature. We then showed that the MRP-based approach also allowed describing the evolution of complex modules of a thixotropic material undergoing a liquid-solid transition due to the growth and the percolation of an attractive particle network. In the last part of this work, we studied experimentally the influence of the flow history on the structure of a thixotropic colloidal suspension

Deformation in continents is not restricted to narrow bands but is spread over great distances within their interiors. A number of lines of evidence, including the distribution of earthquakes, reveal that the strength of different continental regions varies markedly. While it is relatively easy to qualitatively map out these variations, little progress has been made in quantifying the range of strength in the continents and identifying the physical mechanisms that control these variations. I investigate crustal deformation associated with the earthquake cycle, inflation of magma chambers beneath volcanoes, and changes in surface loads. Results of these models has important implications for our understanding of large-scale continental deformation and mountain building, in addition to both seismic and volcanic hazard assessment. Novel analytic solutions for simple shear with depth-dependent linear and non-linear viscoelastic rheologies are derived, in addition to analytical solutions for imposed harmonic tractions and displacements on an elastic layer over a Maxwell viscoelastic half space.

L'écoulement des fluides complexes à l'échelle micrométrique est une problématique qui intéresse notamment la récupération assistée du pétrole. Ici, les fluides sont des solutions de polymères et de tensioactifs capables de s'auto-assembler en micelles géantes. Nous étudions ces écoulements au sein d'outils microfluidiques fabriqués en résine SU-8 selon un protocole développé pendant cette thèse. Nous avons réalisé des expériences de drainage d'huile en milieux poreux et montré que la rhéofluidification et le glissement promeuvent le phénomène de digitation pendant l'invasion. Nos expériences montrent que ces solutions peuvent être élastiquement turbulentes à de faibles nombre de Reynolds. Ces instabilités de vitesse ont des conséquences sur la rhéologie locale du fluide dans un simple canal droit et sont une source de dissipation additionnelle dans des géométries plus complexes. / The flow of complex fluids in confined geometries is an issue of interest notably in the field of oil recovery. In this work, the fluids are polymer solutions of high molecular weight and surfactant solutions enable to form wormlike micelles. We study the flow in microfluidic devices made-up with Su-8 resin following a protocol that has been set during this PhD. We carried out experiences of oil drainage in porous media and show that shear-thinning and slippage are propoting the fingering during the invasion. our experiences also show that these solutions can be turbulent at low reynods numbers. These instabilities have consequences on the local rheology in a simple straight channel and are source of additional dissipation in more complex geometries.

Les mousses aqueuses sont des fluides complexes constitués de dispersions concentrées de bulles de gaz dans une solution de tensioactifs. A l'instar d'autres fluides complexes comme les émulsions ou les pâtes, une mousse se comporte comme un solide viscoélastique lorsque la fraction volumique de la phase continue est suffisamment faible pour que l'empilement des bulles soit bloqué. Ses propriétés mécaniques résultent de couplages entre processus se produisant à plusieurs échelles de temps et d'espace : celles des tensioactifs adsorbés aux interfaces liquide-gaz, celles d'une bulle de gaz ou de mouvements collectifs à une échelle mésoscopique. A partir de trois expériences, nous avons mis en évidence l'impact du désordre de leur structure d'une part, et celui des tensioactifs d'autre part, sur les propriétés viscoélastiques des mousses. Nous avons mis au point un rhéomètre oscillatoire qui permet de mesurer la relation contrainte-déformation-fréquence d'une monocouche de bulles confinées entre deux parois planes parallèles tout en contrôlant sa pression osmotique. Nous avons montré que les relaxations de ces mousses de structure modèle sont pilotées par la rhéologie interfaciale de cisaillement que nous avons caractérisée indépendamment. Nous proposons un modèle quantitatif de ce couplage. Dans une deuxième expérience, nous avons sondé la réponse viscoélastique des mousses de structure 3D désordonnées. Nos résultats montrent que selon la rigidité des interfaces, le facteur de perte d'une mousse est décrit par une loi d'échelle en fréquence. Son évolution avec la taille des bulles et la viscosité du liquide permet de déterminer le mécanisme à l'origine de la dissipation. Dans une troisième expérience, Nous avons élaboré des mousses monodisperses de structure 3D ordonnées et de pression osmotique contrôlée. De manière remarquable, la variation de leur facteur de perte en fonction de la fréquence est similaire à celle des mousses désordonnées de même composition chimique. Ces résultats démontrent que le désordre de l'empilement des bulles n'est pas à l'origine des relaxations viscoélastiques linéaires des mousses, comme l'avaient suggéré plusieurs modèles théoriques, et ouvrent la voie à une modélisation quantitative du lien entre la viscoélasticité des interfaces et celle des mousses 3D / Aqueous foams are constituted of concentrated gas bubble dispersions in a surfactant solution. Like other complex fluids, such as emulsions or pastes, foam behaves as a viscoelastic solid if the volume fraction of the continuous phase is sufficiently small for the bubble packing to be jammed. The mechanical properties of the foam are due to couplings between processes at a wide range of time and length scales: The ones of the surfactant molecules that are adsorbed to the gas-liquid interfaces, the ones of the bubbles or collective motions at a mesoscopic scale. On the basis of three experiments, we have evidenced the impact of structural disorder and surfactant properties on foam viscoelasticity. We have constructed an oscillatory rheometer to measure the frequency and strain dependent stress response of a bubble monolayer confined between two parallel plates, subjected to an imposed osmotic pressure. We have shown that the relaxation of these model foams are governed by the interfacial shear rheology which we have probed in independent experiments and, we present a quantitative model of this coupling. In a second experiment, we have probed the viscoelastic response of disordered 3D foams. Our results show that, depending on interfacial rigidity, the mechanical loss factor of a foam is described by a scaling law depending on frequency. Its dependence on bubble size and liquid viscosity helps to determine the origin of the dissipation. In our third experiment, we have produced monodispersed ordered foams, subjected to a controlled osmotic pressure. Remarkably, the frequency scaling of their loss factor is similar to the one of disordered foams of the same chemical composition. These results demonstrate that the linear viscoelastic response of foams is not the consequence of disorder on the bubble scale as suggested by several previous theories, and they thus open the way for quantitative models linking the viscoelasticity of the interfaces to that of 3D foams

Des réseaux polymères supramoléculaires ont été préparés à partir de deux types d’interactions supramoléculaires différentes, ionique et par liaisons hydrogène. Les interactions ioniques ont été introduites dans des P(BMA-co-MA) par l’introduction de CaCO3 comme charge capable de se décomposer partiellement pour former des cation Ca2+. La présence de Ca2+ a été confirmée par diffraction de rayons X par l’observation d’un pic ionique caractéristique. Les interactions par liaisons hydrogène ont été introduites selon deux approches. L’une a été de préparer d’abord un monomère supramoléculaire avec un motif DA (donneur-accepteur) pour ensuite le copolymériser en polymères supramoléculaires P(MAAM-co-St) et P(MAP-co-St) par polyaddition. Par l'autre approche, le polymère supramoléculaire a été synthétisé par polycondensation de PUU, monomères contenant des liaisons hydrogène multiples. La présence de liaisons hydrogène intermoléculaires a mise en évidence par IRTF qualitativement, et la constante d’association Kass a été calculée par 1H-RMN pour les motifs d’association. Des tests solubilité ont indiqué que la génération d'interactions supramoléculaires dans les polymères conduit à des réticulations. En conséquence, les matériaux sont renforcés et présentent une meilleure thermo-résistance et des modules plus élevés lorsque la fraction motifs supramoléculaire est augmentée. En outre, Des analyses rhéologiques ont été réalisées pour étudier la viscoélasticité et la thermo-réversibilité de ces systèmes physiquement réticulé / Supramolecular polymer networks are prepared basing on two different supramolecular interactions, ionic interaction and hydrogen bonds interaction. Ionic interaction was introduced in P(BMA-co-MA) with CaCO3 as a filler. The presence of Ca2+ is confirmed with X-ray diffraction by the apperence of specific ionic peak. The hydrogen bond interaction was introduced by two approaches. One is to first prepare a supramolecular monomer bearing DA moiety then supramolecular polymer P(MAAM-co-St) and P(MAP-co-St) are prepared by polyaddition. In the other approach, the supramolecular polymer is synthesized by one-step PUU polycodensation from the reagent containing multiple-hydrogen-bond sequence. The presence of intermolecular hydrogen bonds is detected by FTIR qualitatively, and the strengh, quantified as Kass, is calculated by 1H-NMR for different moieties respectively. Solubility tests indicate that the introduction of supramolecular interaction in the traditional polymers leads to the crosslinking in different extents. Consequently, materials are strengthened showing better thermo-endurence property and higher modulus when the content of supramolecular moiety is increased. Furthermore, rheological analysis is performed to investigate the viscoelasticity and to track the thermo reversibility

Cette thèse traite de la dynamique de cellules sanguines dans la microcirculation. Cette appellation regroupe les deux thématiques de mon travail. La première est l'étude du mouvement de globules rouges soumis à un écoulement de cisaillement. Prenant la suite des travaux réalisés par Manouk Abkarian, Magalie Faivre et Annie Viallat, nous avons étudié le mouvement de cellules dans un flux oscillant et mis en évidence l'apparition de chaos (Dupire J. et al, PRL 104,168101 (2010)). Nous avons ensuite repris l'étude sous écoulement constant pour comprendre les régimes de mouvement encore non étudiés (article accepté à PNAS). Tous ces travaux se basent sur un modèle à forme ellipsoïdale constante (type Keller & Skalak) auquel a été rajouté un terme tenant compte de l'élasticité de la membrane. Pour mieux modéliser la mémoire de forme, nous avons recalculé les équations du modèle en tenant compte d'une nouvelle forme non contrainte du cytosquelette élastique. Elle nous permet entre autres d'ajuster le modèle aux données expérimentales en utilisant des valeurs de viscosité et de module élastique de cisaillement compatibles avec la littérature. Le deuxième partie traite de l'étude du mouvement de globules blancs dans un réseau de canaux microfluidiques. Ce réseau est régulier et possède des dimensions biomimétiques. Nous étudions comment la rhéologie des cellules influe sur leur mouvement à travers le dispositif. Nous montrons que l'entrée des cellules, et donc leur première déformation, peut être utilisée pour obtenir des informations sur leur rhéologie (viscosité, élasticité, tension). / This thesis deals with dynamics of blood cells in microflow. This title regroups two aspects of my work. The first one studies the movement of red blood cells (RBC) under flow. Continuing the work done by M. Abkarian, M. Faivre and A. Viallat, we looked at RBCs in an oscillating shear flow and showed the presence of chaos in the motion (Dupire J. et al, PRL 104,168101 (2010) ). Then we continued the study of RBC under constant flow to understand the regime of motion that were still to elucidate (PNAS, accepted for publication). These works use a ellipsoidal fixed shape model (based on Keller and Skalak's) to which we add an elastic membrane term. To take into account the shape memory, we calculated again the equations of motion considering a new stress-free shape of the elastic cytoskeleton. It allows us to fit the model on the experimental data using viscosity and elasticity coefficient compatible with the litterature. The second part deals with the motion of white blood cell (WBC) in a microfluidic channel network. The device has a regular geometry and has biomimetic shape characteristics matching the human lung mean values. We aim to study how the cell's rheology is related to their motion through the device. We show how the entry of the cell, and thus their first deformation, can be used to obtain information about a single cell rheology (viscosity, elasticity, tension). The motion is then decomposed in 2 phases : a transient regime right after the entrance and a final stationary regime. We study these regimes in terms of cellular deformation and wall friction.

En tant que polymère de grande diffusion, les applications du polypropylène isotactique (PP) sont limitées par sa faible resistance au choc. D'après la relation structure - propriétés, sa résistance au choc peut être améliorée en contrôlant sa structure. Dans ces travaux, différents types d'agents nucléants ont été utilsés pour promouvoir la formation des cristaux de type bêta et de mélanges de deux PP de masses molaires différentes. Les propriétés mécaniques, le comportement à la rupture, et la morphologie cristalline ont été étudiés. Les influences du type et de la teneur en peroxyde et agent nucléant sur la morphologie cristalline et les propriétés mécaniques ont aussi été explorées. Un agent nucléant suporté sur des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) a été utilisé pour modifier la structure cristalline du PP, ce qui a permis d'augumeter sa résistance au choc 7 fois comparée à celle du PP vierge et 3 fois comparée à celle du PP cristallisé en phase bêta. Cette importante augmentation en resistance au choc peut être attribuée à la formation des trans-cristaux de type bêta qui est favorisée par l?agent nucléant supporté sur les MWCNT / As a commodity polymer, the applications of isotactic polypropylene (PP) are limited by its low impact strength. Based on the structure-property relationship, its impact strength could be improved by controlling its structure. In this study, different kinds of nucleating agents were used to promote the formation of beta crystals of PP as well as mixtures of two PPs of different molar masses. The mechanical properties, fracture behaviour, and crystalline morphology were investigated. The effects of the type and content of the peroxide and nucleating agent on the crystalline structure and mechanical properties of the PP were also explored. A multi-walled carbon nanotude (MWCNT) supported nucleating agent was introduced to modify the crystalline structure of PP and the impact strength of the resulting PP was 7 times that of the pure PP and more than 3 times that of beta nucleated PP. The large increase in the impact strength was attributed to the formation of beta transcrystalline morphology which was promoted by the MWCT supported nucleating agent

Ce travail de thèse repose sur l'étude d’un objet original : des particules solides poreuses imprégnées de liquide non volatil. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer le potentiel d’un tel système pour des applications innovantes dans le domaine du traitement de gaz en lit fixe en particulier. Le premier axe de recherche de notre travail concerne l’étude détaillée des processus d’imprégnation de particules de silice par un liquide. Une partie importante du travail est dédiée à la caractérisation des particules imprégnées par une méthode innovante basée sur la rhéologie des poudres très sensible aux changements de surface qui permet de décrire de façon précise l’état d’une particule imprégnée et de comprendre la dynamique du processus d'imprégnation. Une évolution en trois étapes est proposée : adsorption du polymère, infiltration dans les pores et enrobage de la particule. Une seconde partie concerne une étude des propriétés thermodynamiques de plusieurs systèmes liquide – gaz pour identifier le type d’application et le type de composés pour lesquels ce système pourrait s'avérer intéressant. Le système N2-CO2 avec une amine polymère a été choisi pour l’étude expérimentale. Dans la dernière partie, un modèle du procédé est présenté pour simuler les performances de nos particules imprégnées en lit fixe. Ce modèle est validé avec nos résultats expérimentaux. L'objectif de ces simulations est d'identifier les conditions opératoires optimales des différents cycles d'absorption-désorption pour lesquelles les pourcentages de récupération et de concentration du CO2, pour notre application expérimentale, sont maximaux / This work is about an original object: porous particles impregnated with a non volatile liquid. The aim of this work is to show the potential of such a system for applications in the area of gas treatment on fixed beds. The first part of our work is dedicated to the impregnation process and the characterization of such particles by an innovative technique based on powder rheology. This technique is very sensitive to changes on the surface of the particles and helps to understand the impregnation process. Three stages of impregnation are proposed: adsorption of the polymer, filling of the pores and coating of the outer surface. The second part is focused on a thermodynamic study of the properties of some gas-absorbent systems in order to identify the systems for which the retention capacity would be important. The absorbents are compared to activated carbon. A system N2-CO2 with a polymer amine was selected to impregnate the particles and carry out the experimental tests. A model of the process is presented in order to simulate and anticipate the performance of the particles for different operating conditions. The goal of this simulation is to identify the optimal conditions for the absorption-desorption cycles in which the values of recuperation and concentration of CO2 would be maximal