Pour ajuster la rhéologie des matériaux cimentaires et modifier leurs principales propriétés d'écoulement, l'utilisation des polymères organiques est nécessaire. L'objectif de cette thèse est de définir un cadre général physique permettant de caractériser qualitativement les conséquences de l'introduction d'un ou plusieurs polymères dans une pâte de ciment. De façon à s'affranchir des spécificités chimiques de chaque molécule, nous prenons le parti d'adopter une approche physique générale dans laquelle un polymère est défini par sa localisation (en solution ou à la surface d'un grain) et par sa taille caractéristique (en solution ou à la surface d'un grain). Nous sélectionnons des polymères couvrant la gamme de molécules disponibles lors de la formulation d'un matériau cimentaire : super-plastifiants, agents de viscosité, retardateurs de prise, floculants. Dans un premier temps, nous étudions le comportement des polymères dans le fluide interstitiel d'une pâte de ciment. Nous mesurons leurs rayons hydrodynamiques en solution et leur influence sur la viscosité du fluide interstitiel d'une pâte de ciment. Nous montrons qu'au premier ordre, la conformation, en régime dilué, de la majorité des polymères étudiés ici et tirés de la littérature, peut être décrite par la même courbe maitresse en fonction de la masse molaire. Nous identifions la fraction volumique des polymères en solution comme le paramètre principal qui est à même de capturer la physique dominante et commune à la majorité des polymères étudiés ici et régissant leur comportement macroscopique en solution. Nous étudions ensuite le comportement des polymères dans une pâte de ciment. Nous mesurons leur adsorption à la surface des particules de ciment et nous analysons les résultats obtenus dans deux régimes asymptotiques de la littérature: le régime d'adsorption à faible taux de couverture de surface et le régime d'adsorption à la saturation qui nous donnent respectivement des informations sur l'affinité intrinsèque du trio polymère/surface/solvant et sur la conformation des polymères adsorbés à la saturation. Nous discutons alors les valeurs d'affinité et d'adsorption à la saturation mesurées à la lueur des paramètres et des structures moléculaires de nos polymères. Dans une troisième partie, nous rappelons les origines physiques microscopiques du comportement rhéologique d'une pâte de ciment. Nous identifions, dans le cas où les polymères n'introduisent pas de nouvelles forces dans le système deux paramètres principaux, la distance inter-particulaire et la viscosité du fluide interstitiel, qui peuvent être ajustés par l'ajout de polymères et entrainer des changements majeurs dans la rhéologie d'une pâte de ciment standard. Dans une dernière partie, nous étudions la compétition d'adsorption entre polymères à la surface des particules de ciment. Nous proposons tout d'abord un protocole expérimental basé sur des mesures de diffraction dynamique de la lumière nous permettant de distinguer les adsorptions respectives de deux polymères sur une même surface. Nous illustrons ensuite la compétition d'adsorption et l'utilisation potentielle qui peut être faite de cette technique en étudiant successivement les compétitions d'adsorption entre un super-plastifiant et trois autres espèces adsorbantes : des ions sulfates, un retardateur de prise et un agent de viscosité. Nous montrons que, selon le taux de couverture de surface, cette compétition peut être plus au moins marquée et ses conséquences rhéologiques plus au moins drastiques. L'approche physique proposée ici consistant à ignorer autant que possible les spécificités chimiques des macromolécules étudiées atteint, à plusieurs occasions, ses limites. Lorsque c'est le cas, nous regroupons à la fin des parties concernées les discussions et analyses des situations où l'introduction d'un polymère dévie de la réponse générique au premier ordre obtenue pour l‘ensemble des autres macromolécules étudiées / To fulfil the rheological requirements of cementitious materials, mix designer engineers use various polymers. Theses admixtures either stay in the suspending fluid modifying its viscosity or adsorb at the surface of cement particles modifying their surface properties and their interactions. In this work, we propose a general physical frame allowing for the description of the consequences of the addition of one or various polymers on the rheology of cement paste. We identify two main parameters affecting the rheology of cement paste, which can be modified by chemical admixtures. These parameters are the inter-particle distance and the viscosity of the suspending fluid. Our solution viscosity and hydrodynamic radii measurements in synthetic cement pore solution suggest that the volume fraction of polymers is the main parameter enhancing the viscosity of the suspending fluid. By means of rheological and adsorption measurements, we study the effects of polymers on the inter-particle distance and the rheological behavior of the suspension. Finally, we study the competitive adsorption between polymers at the surface of cement particles. We propose a technique based on dynamic light scattering measurements allowing for the measurement of the respective adsorption of two polymers at the surface of cement particles. We then study the competitive adsorption between a super-plasticizer and sulfate ions, retarder or viscosity enhancing admixtures

Face à la pénurie de granulats alluvionnaires, l’utilisation de granulats issus de roches massives est devenue systématique pour la formulation de mortiers ou de bétons. Ainsi, la part des granulats concassés de roche massive a fortement augmenté lors de la dernière décennie alors que, pour des raisons normatives dans le domaine du recyclage, la part des granulats recyclés est amenée à le faire lors de la prochaine. La relation de ces granulats avec l’eau et, plus particulièrement, de leur fraction fine est beaucoup plus complexe que celle de leurs prédécesseurs, les granulats naturels alluvionnaires. Ces particules plus poreuses sont à même d’absorber des quantités d’eau plus importantes mais elles le font, par ailleurs, avec des cinétiques peu comparables. Pour contrôler l’absorption d’eau des granulats poreux, il est d’usage de compenser l’absorption des granulats au moment de la formulation après avoir caractériser les granulats. Cependant, l’angularité et la rugosité de surface des granulats recyclés imposent d’adapter les normes actuelles utilisées pour la caractérisation de granulats alluvionnaires. Dans ce travail de thèse, nous proposons de mettre en place différentes méthodes pour caractériser les granulats concassés et recyclés. Dans un premier temps, nous étudions la méthode consistant à déterminer l’absorption d’eau par séchage de granulats saturés et nous montrons que cette méthode est plus particulièrement adaptée dans le cas de granulats de morphologie anguleuse. En effet, nous montrons que la baisse du taux de séchage est bien associée au passage de l’évaporation inter-grains à l’évaporation de l’eau intra-grains et que cette méthode permet une bonne estimation de l’absorption de granulats fins poreux. Dans un second temps, nous montrons que l’étude de la perte de rhéologie d’un mortier, à travers des mesures d’étalement, permet de déterminer l’absorption d’eau de granulats poreux. Nous étendons, dans une deuxième partie, notre étude aux conséquences inhérentes à l’utilisation de ces granulats dans un nouveau matériau cimentaire. Nous observons, à l’aide de la spectrométrie RMN, les transferts d’eau de la pâte de ciment fraîche vers les granulats poreux. Nous observons que l’absorption d’eau de granulats recyclés peut être réduite dans une pâte de ciment fraîche par rapport à l’absorption dans l’eau pure. Nous montrons que le prétraitement thermique généralement imposé en laboratoire aux granulats recyclés impacte la microstructure par la déshydratation d’hydrates tels que les aluminates et les silicates de calcium. En présence de la solution interstitielle de la pâte de ciment, la réhydratation des anhydres peut amener à une précipitation de calcium dans la porosité qui limite l’absorption par colmatage des pores / The environmental threat on non-renewable resources such as rounded natural aggregates strongly affects the materials available for the production of mortar or concrete. This leads to an increase in the relative contribution of alternative resources such as recycled or crushed aggregates. The interaction of water with these inclusions, especially the finest sand particles, is far more complex than in the case of the standard rounded natural aggregates. These alternative particles are indeed able to absorb far more water with very different kinetics than their previous counterparts. In order to take into account aggregates water content and correct the resulting water absorption with the aim of always producing the same material with the same properties, it is usual to correct the amount of mixing water added in the mix-design. However, the traditional standard used to measure rounded aggregates water absorption is not suitable for crushed aggregates. We propose, as a first step, to develop tests allowing for the assessment of water absorption and its kinetics in the case of crushed and recycled sands. To achieve this, we measure rheology losses of mortars by slump flow test and drying kinetics of saturated porous aggregates. We show that these methods are suitable to determine water absorption of crushed or recycled aggregates. In the second phase, we study the consequences of the use of porous aggregates in a new cementitious material. We observe water transfers between aggregates and fresh cement paste using nuclear magnetic resonance. We measure a lower final water absorption in the fresh cement paste than in pure water. We show that oven-drying of recycled aggregates in laboratory can impact cement paste microstructure by hydrates dehydration like calcium silicates or calcium aluminates. The rehydration of anhydrous by interstitial solution of fresh cement paste involves calcium precipitation in the pores and this precipitation can reduce water absorption by clogging aggregates porosity

Depuis sa formation, la Terre subit un refroidissement lent. La chaleur provenant du noyau et de la désintégration des éléments radioactifs présents dans le manteau est évacuée vers la surface par convection. L’évolution des structures thermiques ainsi créées contrôle de nombreux phénomènes de surface tels que le mouvement des continents et le niveau marin. L’étude présentée ici s’attache à déterminer quelles structures convectives terrestres peuvent être reconstruites, sur quelle période de temps et avec quelle précision. La chaoticité de la convection implique que les incertitudes initialement présentes sur le champ de température croissent exponentiellement au cours du temps et peuvent créer des structures convectives artificielles dans les modèles. A l’aide de la méthode des expériences jumelles initialement développée par Lorenz [1965] en météorologie, le temps de Lyapunov et l’horizon de prédiction sont calculés pour la première fois en géodynamique mantellique. Différentes rhéologies sont étudiées. La valeur du temps de Lyapunov pour notre modèle le plus proche de la Terre suggère qu’une erreur de 5% sur les conditions initiales limite l’horizon de prédiction à 95 millions d’années. D’autre part, la qualité de la prédiction des structures thermiques dépend de notre capacité à décrire de façon réaliste les propriétés rhéologiques du manteau. L’utilisation d’une rhéologie pseudo-plastique dans les modélisations de convection en 3D sphérique, permet aujourd’hui de générer une tectonique de plaques compatible au premier ordre avec les caractéristiques cinématiques de la surface terrestre. Une stratégie cohérente de reconstruction peut alors être élaborée. L’état thermique actuel du manteau est reconstruit en imposant les vitesses de surface de ces 200 derniers millions d’années [Seton et al., 2012; Shephard et al., 2013] sur un modèle de convection généré par le code StagYY [Tackley, 2008]. La morphologie et la position des slabs reconstruits varient considérablement avec le contraste de viscosité et la pseudo-plasticité. L’erreur introduite par l’utilisation de rhéologies différentes lors des reconstructions est ainsi plus importante que les erreurs liées aux incertitudes sur les conditions initiales et les vitesses de surface. Ces résultats montrent l’importance du choix la rhéologie sur la qualité des prédictions réalisées. Ils mettent également en évidence rôle clé du contraste de viscosité et de la pseudo-plasticité pour reconstruire des slabs cohérents et des subductions plates, structures propres à la convection terrestre. / Since its formation, the Earth is slowly cooling. The heat produced by the core and the radioactive decay in the mantle is evacuated toward the surface by convection. The evolving convective structures thereby created control a diversity of surface phenomena such as vertical motion of continents or sea level variation. The study presented here attempts to determine which convective structures can be predicted, to what extent and over what timescale. Because of the chaotic nature of convection in the Earth’s mantle, uncertainties in initial conditions grow exponentially with time and limit forecasting and hindcasting abilities. Following the twin experiments method initially developed by Lorenz [1965] in weather forecast, we estimate for the first time the Lyapunov time and the limit of predictability of Earth’s mantle convection. Our numerical solutions for 3D spherical convection in the fully chaotic regime, with diverse rheologies, suggest that a 5% error on initial conditions limits the prediction of Earth’s mantle convection to 95 million years. The quality of the forecast of convective structures also depends on our ability to describe the mantle properties in a realistic way. In 3D numerical convection experiments, pseudo plastic rheology can generate self-consistent plate tectonics compatible at first order with Earth surface behavior [Tackley, 2008]. We assessed the role of the temperature dependence of viscosity and the pseudo plasticity on reconstructing slab evolution, studying a variety of mantle thermal states obtained by imposing 200 million years of surface velocities extracted form tectonic reconstructions [Seton et al., 2012; Shephard et al., 2013]. The morphology and position of the reconstructed slabs largely vary when the viscosity contrast increases and when pseudo plasticity is introduced. The errors introduced by the choices in the rheological description of the mantle are even larger than the errors created by the uncertainties in initial conditions and surface velocities. This work shows the significant role of initial conditions and rheology on the quality of predicted convective structures, and identifies pseudo plasticity and large viscosity contrast as key ingredients to produce coherent and flat slabs, notable features of Earth’s mantle convection.

La vidange d'un réservoir à travers un orifice a été décrite par Torricelli il y a presque 400 ans. Son modèle ne prévoit aucun effet du mouillage du fluide qui s’écoule sur la plaque percée. Cette thèse montre expérimentalement que pour un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, pour des fluides newtoniens peu visqueux, l’effet du mouillage sur le débit est important. Un modèle calculant la variation d'énergie cinétique dans le ménisque à la sortie du trou rend compte des observations expérimentales. Une instabilité, inconnue, du jet en sortie du trou apparaît également ; l'oscillation de la ligne triple du ménisque en est la cause. Les relations de dispersion de la fréquence d’excitation et des fréquences secondaires apparaissant le long du jet ont été établies.Cette étude a été complétée par des écoulements de fluides visqueux et viscoélastiques. Pour les fluides visqueux, le modèle d’écoulement du fluide parfait est corrigé à partir de nos expériences. Pour les fluides viscoélastiques, les expériences montrent qu'il y a compétition entre les dissipations visqueuses et les effets élastiques tout le long de l'écoulement. La prédiction de ces deux effets n'est pas aisée. Nous montrons des situations où les effets élastiques prédominent, permettant à une solution de polymère de couler plus vite que de l'eau.Pour finir, un second système expérimental a été construit permettant l'écrasement de fluides complexes entre deux plaques de verre parallèles. La visualisation, la mesure de la position et de la force normale, permettent de mieux comprendre le comportement de systèmes tels que les mousses, les émulsions, les gels sous une contrainte normale. / The draining of a tank through an orifice was described by Torricelli almost 400 years ago. His model does not provide for any wetting effect of the flowing fluid on the drilled plate. This thesis shows experimentally that the effect of wetting on the flow rate is important for Newtonian fluids with low viscosity in the case of an orifice the size of which is comparable to the capillary length. A model calculating the kinetic energy variation within the meniscus at the outlet of the hole allows us to account for experimental observations. Unknown jet instability also appears at the outlet of the hole; this is the oscillation of the meniscus triple line that is causing it. The relations of dispersion of the excitation frequency as well as that of the secondary frequencies appearing along the jet have been established.This investigation was supplemented by flows of both viscous and viscoelastic fluids. For viscous fluids, the perfect fluid model is corrected based on our experiments. For viscoelastic fluids, experiments show that there is competition between viscous dissipations and elastic effects throughout the flow. The prediction of both effects is challenging. We show situations where elastic effects dominate, allowing a polymer solution to flow faster than water.Finally, a second experimental set-up was build for compressing complex fluids between two parallel glass plates. Visualization, both position and normal force measurements, allow a better understanding of the behavior under normal stress of systems such as foams, emulsions, gels.

This thesis reports a study of the effects on processing and properties of incorporating nano-scale reinforcements (multiwall carbon nanotubes, MWCNTs) in the matrix of epoxy- carbon fibre (CF) laminate composites to produce multi-scale composites (M-SC). The main aim of this research was to study the effects of MWCNTs on matrix toughening and the through-thickness properties of M-SCs based on a commonly used aerospace grade epoxy resin — triglycidyl-p-aminophenol (TGPAP) cured with diaminodiphenyl sulphone (DDS). In order to improve resin processing, diglycidyl ether of bisphenol F (DGEBF) was added into the TGPAP/DDS system as a reactive diluent. Factorial experimental design (FED) was used to optimize the composition of this tri-component system to obtain high Tg and low resin viscosity, which gave a TGPAP/DGEBF/DDS system with 30.56 wt.% of DGEBF and a chemical stoichiometry of 0.5. Three types of MWCNTs were used; as-received (AR-), base-washed (BW-) and amine functionalized (NH2-). These were shear-mixed with both the bi- and tri-component systems using a 3-roll mill to produce nanocomposite matrices (NCM). The curing behaviour, dispersion state of MWCNTs in the resin and processability of NCMs were studied to decide upon the preparation method for the final M-SC. The fracture toughness (KIC) and the flexural properties of NCM were affected by both MWCNTs and the matrix type; thus KIC increased by up to 8 % in TGPAP/DDS NCM but decreased by 23% in TGPAP/DGEBF/DDS NCM with 0.5 wt.% AR-CNTs. The addition of both non-functionalized and functionalized MWCNTs increased the flexural modulus. The failure mechanism of NCMs was found to be dominated by the size and distribution of CNT aggregates and the behaviour of MWCNTs, both those dispersed in the matrix and in aggregates. The addition of functionalized MWCNTs increased the interfacial bonding between MWCNT and epoxy resin and thus improved the mechanical properties. All the NCM systems were taken forward to manufacture M-SC using a hybrid resin film infusion (RFI)/hot press process. The fibre volume fraction and the void content could be controlled at 43 ± 5 % for M-SC with TGPAP/DDS NCM and 60 ± 6 % for M-SC with TGPAP/DGEBF/DDS NCM. M-SCs were characterised using a range of tests, including flexural, interlaminar shear strength (ILSS), mode-II interlaminar fracture toughness (GIIC), low velocity impact and compression after impact (CAI). The most obvious improvement occurred for the M-SC with tri-component system with 0.5 wt.% CNTs, whereILSS increased by 16 % upon adding NH2-CNTs and GIIC increased significantly on addition of 0.5 wt.% AR-CNTs and NH2-CNTs, by 85% and 184% respectively. However the effect of MWCNTs on other properties was at best marginal. For example, for the M-SC with TGPAP/DDS, the flexural modulus and ILSS only increased by 4.1 % and 2.3 % with 0.5 wt.% AR-CNT.

Les polysaccharides amphiphiles possèdent des propriétés rhéologiques et interfaciales singulières dues aux interactions attractives entres les groupements hydrophobes greffés le long du squelette hydrophile. Leurs propriétés sont modulables suivant certains paramètres bien identifiés (nature des groupements hydrophobes, densité de greffage, etc.). Néanmoins, peu d’études s’intéressent à l’impact de la conformation du squelette sur le comportement de ces systèmes. L’objectif de ce mémoire est de déterminer l’influence de la rigidité du squelette sur les propriétés en solution d’un polysaccharide amphiphile à base de xanthane. En solution, ce polymère peut adopter deux conformations distinctes suivant les conditions opératoires : une forme ordonnée hélicoïdale rigide ou une forme désordonnée de type pelote flexible. Deux protocoles de greffage ont été développés afin de modifier le xanthane sous ces deux formes. Les xanthanes greffés sous forme ordonnée conservent une conformation hélicoïdale rigide, qui gouverne l’organisation globale des macromolécules. Au contraire, pour les polymères greffés sous forme désordonnée, l’organisation des chaînes est principalement contrôlée par les interactions attractives entre les groupements hydrophob / Hydrophobically modified polysaccharides show unusual rheological and interfacial properties in solution due to the self association of hydrophobic entities grafted onto their hydrophilic backbone. Their properties are tunable according to some well known parameters, such as the length of the hydrophobic moieties or the grafting density. However, very few studies deal with the influence of the backbone conformation on the properties of such systems in solution. Therefore, the objective of this work is to determine the impact of the backbone rigidity on the behavior of an amphiphilic polysaccharide based on xanthan. Indeed, in solution, this polymer can adopt two different conformations depending on the experimental conditions: an ordered, rigid helix or a disordered, flexible coil. Hydrophobic moieties have been grafted on xanthan either under its ordered and disordered conformation. Chains modified under the ordered conformation remain ordered and rigid after grafting and the overall properties are controlled by the high rigidity of the polymer backbone. On the contrary, macromolecules grafted under the disordered form show a more flexible conformation in solution. As a result, the organization of these derivatives is mainly controlled by the attractive interactions between the grafted moieties

Les estuaires sont généralement soumis à des phénomènes de comblement sédimentaires. Dans cette partie des systèmes fluviaux du territoire, l'accumulation des matériaux fins modifie radicalement la morphologie de l'estuaire, et conditionne la présence des espèces animales et végétales et on distingue un impact fort sur le plan économique, social et industriel. Les comblements compliquent la circulation dans les estuaires, compliquent les activités de pêches, de loisirs, modifient les propriétés des écoulements et constituent un facteur risque sur les zones d'habitations voisines. Des solutions temporaires consistent à curer les estuaires et des solutions d'aménagement des estuaires peuvent être envisagées. Néanmoins, il ressort de la littérature un manque important sur la caractérisation des mélanges liquides-solides et sur les mécanismes de structuration. Ce travail s'inscrit dans le contexte de l'étude des mécanismes de structuration des matériaux sédimentaires dans les estuaires afin de mieux comprendre les remplissages des zones estuariennes et surtout d'envisager des solutions durables de « nettoyage » de ces zones. L'estuaire de la Rance est particulièrement ciblé par notre étude. Le but est de donner des éléments de réponse sur le comportement rhéologique des vases naturelles en distinguant les échelles les plus significatives afin de détecter les facteurs structurants qui influencent les paramètres rhéologiques. La rhéologie des sédiments est ainsi étudiée à l'aide du rhéomètre Kinexus, géométrie plan-plan. On a pu alors détecter un comportement visco-plastique Bighamien. L'influence du diamètre moyens et de la fraction volumique solide sur la viscosité et le seuil de la contrainte de cisaillement dynamique du modèle de Bingham sont ainsi analysés. Ensuite, nous avons étudié grâce à des sédiments sans sel et sans matière organique, l'influence de ces deux composés chimiques sur le comportement rhéologiques des sédiments et puis leurs influences sur le vieillissement des sédiments. Une étude statique est également réalisée à l'aide du Va ne test permettant le calcul de la contrainte de cisaillement seuil. •Enfin, une assimilation du piège du Lyvet est réalisée grâce à des colonnes de sédimentation dans des conditions assez proches des conditions naturelles. Un processus de sédimentation-tassement-consolidation sous poids propre est recréé en laboratoire. Les sédiments sont amenés à vieillir cette fois pour des longues durées allant jusqu'à 9 mois. Au terme de périodes de vieillissement retenues, le massif créé est caractérisé depuis l'interface fluide-sédiments. Cela nous a permis d'étudier la répartition granulaire des sédiments après structuration et la variation de la contrainte de cisaillement seuil selon la profondeur de la colonne et la durée du vieillissement. Ce type d'essai est aussi réalisé pour les sédiments sans sel et sans matières organiques. / Estuaries are generally subject of sedimentary filling phenomena that alter their morphology and affect subsequently the economic, social and industrial plans. In this part of the fluvial systems of the territory, the accumulation of fine materials radically modifies the morphology of the estuary, and conditions the presence of animal and plant species and cause a strong impact on the economic, social and industrial. Filling complicates navigation in estuaries, fishing, recreational activities and modifies flow properties and is a risk factor in neighboring housing areas. Temporary solutions consist of cleaning estuaries and estuarine management solutions can be considered. Nevertheless, the literature shows a significant lack of characterization of liquid-solid mixtures and structuring mechanisms. This work is in the context of the study of structuring mechanisms of sedimentary materials in estuaries to better understand the fillings estuarine areas and specially to consider sustainable solutions of "cleansing" of these areas. The Rance estuary is particularly targeted by the study. The aim is to provide answers on the rheological behavior of natural vessels by distinguishing the most significant scales to detect structural factors influencing the rheological parameters. The rheology of the sediments is studied using the Kinexus rheometer, plan-plan geometry. A Bighamien visco-plastic behavior was then detected. The influence of the mean diameter and the solid volume fraction on the viscosity and the threshold of the dynamic shear stress of the Bingham model are thus analyzed. Then, using sediments without salt and organic matter, we studied the influence of these two chemical compounds on the rheological behavior of the sediments and their influence on the aging of the sediments. A static study is also carried out using the Vane test allowing the calculation of the threshold shear stress. Finally, an assimilation of the natural filling phenomenon is achieved in columns under conditions similar to natural conditions. These columns are then filled with natural sediments, washed sediments and sediments free of organic material and left for ages ranging from one week to 9 months. Then, the columns will be disassembled and rheological tests with the Brookfield Rheometer will be performed throughout the depth of the columns as well as measurements of water content and grain size. These tests allow us to study sediment structuring in the long term and also to identify the effect of salt and organic matter on sedimentation.

L'avance technologique a encouragé, au cours de la dernière décennie, la fabrication et l'utilisation de nouveaux matériaux, ayant des propriétés innovantes et un comportement complexe. Leur développement a été conditionné par la nécessité d'augmenter l'efficacité de certains procédés technologiques, dans des domaines importants tels que la médecine, la fabrication de médicaments, de produits cosmétiques, de produits alimentaires, la production d'énergie, le recyclage des matériaux usagés, par exemple par l'industrie des transports dont la construction automobile. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés au comportement de fluides issus de ces matériaux complexes. En effet, leur développement, leur production et leur utilisation sont conditionnés par la compréhension et la modélisation de leur rhéologie, tant au niveau macroscopique que microscopique, voire même nanométrique. La rhéologie d'un fluide est implicitement déterminée par ses propriétés de viscosité, d'élasticité et de plasticité. Un grand intérêt a toujours été porté au comportement viscoélastique des matériaux, la viscoélasticité d'une matière étant la propriété à manifester simultanément un comportement rhéologique visqueux et élastique, quand elle est soumise à une déformation, en raison de l'application d'une tension. La caractérisation rhéologique d'un liquide suppose la détermination du tenseur de tension supplémentaire, présent dans l'équation de mouvement, provenant de mesures rhéométriques. L'expression de ce tenseur, qui dépend de la déformation et de la vitesse de déformation, s'appelle la relation ou loi constitutive. La détermination du comportement rhéologique des fluides, / This paper was dedicated exclusively to the rheological characterization of simple and complex fluids and a detailed analyze of available rheometric testing procedures. Throughout this thesis the rheological behavior of both simple and complex fluids has been studied and modeled in both shear and the complex motions (shear tests and squeezing tests). By linking conventional experimental test methods with numerical simulations of real flows, this thesis introduces a new concept in rheology: Computational Rheometry. All experimental investigations carried out in this study for the squeezing flows were accompanied by numerical simulations. For the oscillatory squeezing flow the influence of initial film thikness, oscillatory amplitude and frequency, computational time step was investigated by comparison with the theoretical predictions of squeeze force and a Genrealized Reynolds Equation inclued in a finite element code in Fortran. A validity domain was established for the analitical formulation of squeezing force. The constant velocity squeeze flow was investigated also using a quasi-steady approximation of the motion, which brings a significant reduction of the computational time, and a very good correlation with the transient (deformable mesh) approximation and the analytical predictions. The investigation of free surface influence on the distribution of normal force in both constant velocity and oscillatory squeeze flow was analyzed. In the case of constant velocity squeeze flow, the numerical simulations coupled with the free surface evolution and measured normal force during experimental investigations are suggesting the presence of a partial slip during the experimen

Les problèmes associés au transport sédimentaire sont l'une des préoccupations majeures de notre société, tant d'un point de vue environnemental qu'économique. Nous disposons de peu d'informations sur la dynamique locale des phénomènes d'érosion et plus particulièrement pour les sédiments cohésifs. Dans cette étude, nous nous focalisons sur les phénomènes locaux agissant à l'interface eau-sédiment. Tout d'abord, un sédiment modèle transparent est réalisé en nous basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxyméthylcellulose, sont testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Les protocoles de mesures sont alors établis et une loi d'évolution des propriétés en fonction de la concentration en sédiment est déterminée. Puis, la qualification de la veine hydraulique de l'étude, sans présence de sédiment, est réalisée par des mesures optiques PIV. L'obtention des champs de vitesse moyens et instantanés nous a permis de calculer l'énergie cinétique turbulente ainsi que les contraintes laminaires et turbulentes agissant sur le fond. Enfin, des mesures similaires sont effectuées dans le canal en présence de sédiment pour des cas où le sédiment est entraîné ou non par les forces hydrodynamiques. L'accès à l’énergie cinétique turbulente ainsi qu'aux contraintes laminaires et turbulentes hydrodynamiques permet de comprendre les phénomènes locaux étant à l’origine de l'érosion. Les contraintes à l'interface sont comparées à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique mettant en évidence la présence d'une contrainte de cisaillement critique liée aux propriétés du sédiment. / Associated problems with sediment transport are one of the major concerns of our society, as an environmental and economic perspective. Few information about local dynamics of erosion is available and especially for cohesive sediments. In this study, we focus on local phenomena acting at the water-sediment interface. First, a transparent sediment model is made based on rheological properties of natural sediments. For this purpose, different mixtures, containing Laponite and carboxymethylcellulose, are tested by varying the concentration and method of manufacture. Measurement protocols are then established and a law of variation of rheological properties as a function of the sediment concentration is determined. Then, definition of flow within the hydraulic channel of the study, without the presence of sediment, is obtained by PIV optical measurements. Average and instantaneous velocity fields allowed us to calculate the turbulent kinetic energy and the laminar and turbulent stresses acting on the bottom. Finally, similar measurements are carried out in the channel with presence of sediments in cases where the sediment is driven or not by hydrodynamic forces. Access to the turbulent kinetic energy as well as laminar and turbulent hydrodynamic stresses provides an understanding of local phenomena causing erosion. Stresses at the interface are compared with those obtained within the sediment via the rheological law highlighting the presence of a critical shear stress related to the sediment properties.

Dans l'industrie alimentaire, les procédés de production sont souvent mis au point de manière empirique, selon des règles de bonnes pratiques. Ces méthodes présentent des lacunes, notamment au niveau de la régularité de la production. Pour modéliser et optimiser ces procédés, il est nécessaire de déterminer les propriétés physico-chimiques du produit. Nous cherchons à optimiser l'étape de tempérage du chocolat. À cette fin nous étudions la rhéologie et la cristallisation du chocolat.<p>Nous réalisons des mesures de rhéologie du chocolat suivant la méthode standard. Les résultats de ces mesures nous permettent de caractériser le comportement rhéofluidifiant de notre chocolat. Pour évaluer l'effet de différents paramètres opératoires sur la rhéologie du chocolat, nous faisons des mesures à différentes températures et pour différentes quantités de beurre de cacao. Suite à une analyse statistique des résultats, nous avons déterminé les paramètres d'une loi en puissance décrivant le<p>comportement rhéologique du chocolat. Pour approfondir la compréhension des phénomènes régissant la rhéologie du chocolat, nous avons également évalué l'influence de chaque ingrédient du chocolat sur la rhéologie du beurre de cacao. Nous montrons qu'il existe des interactions entre les particules de sucres qui sont probablement responsables du comportement rhéofluidifiant du chocolat. Nous montrons également que la présence de l'émulsifiant est indispensable pour que le chocolat puisse s'écouler.<p>La cristallisation du chocolat est analysée par calorimétrie différentielle. Nous développons un modèle de cristallisation en considérant le transfert de chaleur comme phénomène limitant. Ce modèle nous permet de déterminer les différentes formes cristallines présentes dans un échantillon de chocolat. A l'aide du modèle nous obtenons également une évaluation de la vitesse de cristallisation des différentes formes cristallines considérées. C'est un paramètre essentiel pour le dimensionnement de procédé.<p>L'étude couplée de la rhéologie et de la cristallisation nous montre que les formes cristallines les plus stables sont générées par les contraintes de cisaillement les plus élevées.<p>Enfin, dans le cadre d'applications industrielles, nous avons étudié le phénomène<p>de blanchiment du chocolat. Nous constatons que les variations de température accélèrent le phénomène de transformations polymorphiques solide-solide. Nous avons également étudié le procédé de production de la ganache. Nous avons mis en évidence que le transfert de chaleur est le phénomène déterminant de ce procédé. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished