Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1998. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Les coulis de glace sont des réfrigérants secondaires considérés comme propres. Ils sont notamment utilisés dans la climatisation, la conservation d’aliments ou certaines applications médicales. Ils se composent de particules de glace et d'un mélange d'eau liquide et d'un additif (ici le propylène-glycol ou l’éthylène-glycol) utilisé pour abaisser le point de congélation de l'eau. Les caractéristiques rhéologiques des coulis de glace ont été mesurées à l'aide d’un rhéomètre de type Discovery HR2 équipé d'une géométrie de type "vane". On considère trois concentrations initiales de soluté (5%, 14% et 24%) pour les deux additifs et les fractions massiques de glace varient entre 5% et 65%. Les résultats expérimentaux révèlent que les coulis de glace sont généralement des fluides non Newtoniens présentant un comportement rhéofluidifiant ou rhéoépaississant en fonction des conditions expérimentales. Les indices d’écoulement et de consistance impliqués dans le modèle de Herschel-Bulkley ont été évalués selon la méthode des moindres carrés. Les résultats sont finalement validés à partir d’une base de données expérimentales issues de la littérature et les prédictions d'un modèle de réseau de neurones artificiels.

Le coulis de glace est un fluide composé d'une phase solide, la glace, et une phase liquide, une solution aqueuse. Dû à la chaleur latente de la fonte de la glace, le coulis peut extraire une plus grande quantité d'énergie que le fait un fluide monophasique. Dans un premier temps, les corrélations permettant de calculer les propriétés thermophysiques des solutions aqueuses, soient la concentration de glace, la densité, la viscosité, la conductivité thermique et l'enthalpie, sont établies.Le coulis à base de propylène glycol est pris comme exemple afin de présenter la démarche suivie. Pour les trois autres additifs, l'éthylène glycol, le chlorure de calcium et le chlorure de sodium, seuls les coefficients des corrélations sont présentés. Dans un deuxième temps, une série d'expérimentations a été réalisée sur un échangeur de chaleur tubes et calandre afin d'évaluer les pertes de pression et le transfert de chaleur du coulis fait à base d'éthylène glycol. La perte de pression dans les tubes, ainsi que la température à l'entrée et à la sortie et le débit massique de chaque fluide ont été mesurés. Les mesures ont démontré que la concentration de glace a un impact plus grand sur le transfert de chaleur quand le débit de coulis est faible. De plus, le débit de coulis a un impact plus grand sur les pertes de pression que la concentration de glace. Dans un troisième temps, le transfert de chaleur en régime transitoire entre la patinoire, les fondations du bâtiment et le sol extérieur a été calculé par un modèle numérique d'aréna. Deux réfrigérants secondaires, la saumure et le coulis, servant à refroidir la glace sont comparés. La simulation montre que la température de la glace est plus uniforme avec le coulis qu'avec la saumure. Une analyse paramétrique est menée afin d'évaluer l'effet de la diminution du débit de réfrigérant secondaire sur la température de la surface de la glace et sur la puissance de pompage.

Les contraintes environnementales de plus en plus fortes ainsi que les problèmes grandissants de la disponibilité des ressources énergétiques obligent le secteur de l'énergie non seulement à une évolution importante de ses technologies mais aussi à leurs utilisations plus rationnelles. Ce mémoire présente la synthèse de mes initiatives de recherches menées sur le stockage et le transport de l'énergie par chaleur latente essentiellement dans le domaine du froid. Les Matériaux à Changement de Phase solide-liquide sont utilisés afin de stocker l'énergie de manière efficace en bénéficiant de la chaleur latente de changement d'état. Après la caractérisation thermophysique des matériaux utilisés et l'étude de la maîtrise de la surfusion, un procédé utilisant l'encapsulation du MCP est analysé montrant son intérêt. Quelques études complémentaires plus fondamentales ont permis de mieux comprendre les phénomènes couplés de thermique et d'hydrodynamique rencontrés avec les MCP. Le changement d'état est aussi utilisé pour transporter l'énergie. Les fluides frigoporteurs diphasiques sont utilisés dans les systèmes à refroidissement indirect. Des études sur les parties génération, stockage et transport ont été menées sur des coulis de glace constitués d'un mélange de cristaux de glace dans une solution aqueuse. Ces fluides frigoporteurs secondaires offrent des avantages intéressants pour le transport d'énergie et l'amélioration des transferts dans des échangeurs de chaleur, en particulier grâce à la chaleur latente de fusion de la glace. Une meilleure gestion de l'utilisation de ces technologies est indispensable. Des analyses thermodynamiques basées non seulement sur les notions énergétiques mais aussi exergétiques permettent une optimisation intéressante du fonctionnement des procédés.

La nécessité de construire de manière durable, rationnelle et écologique incite à l’innovation et la recherche d’alternatives, telles que la géopolymérisation et l’activation alcaline, qui suscitent un intérêt croissant. Dans ce sens, ces technologies permettent de valorise rdes matières premières à plus faible impact environnemental pour le développement d’une nouvelle famille de matériaux. Cependant, ces mécanismes réactionnels sont complexes et il est encore nécessaire de lever plusieurs verrous avant leur implémentation : la confusion entre les deux processus, l’absence d’approches de formulation rationnelles, la méconnaissance de certaines vulnérabilités, etc. La thèse s’intègre dans cette dynamique et a pour objectif une meilleure connaissance des géopolymères et des matériaux alcali-activés. Le cadre de travail est le développement de coulis d’injection. Un programme expérimental basé sur une sélection de compositions est établi afin de caractériser leurs principales propriétés. Les différences entre les deux processus de structuration sont relevées à travers une étude physico-chimique (DRX, RMN) et liées aux évolutions macroscopiques au jeune âge. Un travail d’optimisation de formulation est mené afin de répondre à des critères d’application et définir les paramètres influençant le comportement rhéologique et mécanique des coulis. Une méthodologie basée sur l’analyse micromécanique et l’homogénéisation multi-échelles a permis d’évaluer le module élastique des matériaux et peut servir de plateforme pour une analyse globale du comportement mécanique. Enfin, une étude de la durabilité est entamée en évaluant la sensibilité au séchage et à la lixiviation en milieu acide. / The need for more durable, rational and ecological constructions encourages innovation and the search for alternatives, such as geopolymerization and alkali-activation, with a growing interest. These technologies allow the use of resources with a lower environmental impact in developing a new class of materials. However, both reaction mechanisms are complex and some issues need further investigation before a proper implementation: the confusion between these processes, the absence of a rational design approach, the lack of knowledge concerning some mechanisms of degradation, etc. The present thesis joins this dynamic and aims at a better understanding of geopolymers and alkali activated materials to design soil injection grouts. An experimental program has been established based on selected mix designs to study their main properties. The differences between both structuration processes were determined through a physicochemical study (XRD, NMR). They were correlated to the macroscopic phenomena observed at early age. An optimization of the mixtures was carried to satisfy the application criteria and define the parameters controlling the rheological and mechanical behavior of the grouts. Using a micromechanical characterization and multiscale homogenization, a methodology has been designed to determine the elastic modulus of the materials.This can be used as a first tool to analyze the global mechanical behavior. Finally, the sensitivity to drying and exposure to acid environments was assessed.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des mécanismes de blocage d'un écoulement d'eau dans un milieu granulaire par injection d'un produit de colmatage, et s'inscrit plus généralement dans la problématique de l'érosion interne des sols (Projet National ERINOH). Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Pour cela, une conduite d'écoulement de 18 cm de diamètre intérieur et 300 cm de longueur maximale, constituée par plusieurs tronçons de 50 cm de longueur assemblés, a été développée. Celle-ci est tout d'abord remplie du matériau granulaire perméable à étudier ; on établit ensuite un écoulement d'eau permanent à pression imposée à l'amont ; finalement on vient injecter localement un produit de colmatage pour essayer de bloquer l'écoulement. Le dispositif est équipé de plusieurs capteurs de pression, de débitmètres, d'un turbidimètre afin de mettre en évidence les paramètres significatifs qui contrôlent le processus de blocage. Les paramètres expérimentaux sont les caractéristiques du milieu granulaire (type de sol, conductivité hydraulique, état de compacité…), les caractéristiques de l'écoulement (vitesses, gradients hydrauliques, régime de l'écoulement…), les propriétés rhéologiques du coulis d'injection (densité, viscosité, seuil de cisaillement…) et la technique d'injection associée. Sur la base des résultats obtenus, on propose des critères de blocage de l'écoulement combinant ces derniers paramètres sous une forme suffisamment simple, utilisable dans la pratique, pour répondre à la demande des industriels impliqués dans le projet de recherche ERINOH, qui sont confrontés à ces pathologies / The present PhD thesis focuses on the mechanisms of blocking permanent water flow through a granular soil by injection of a grout. This work is part of the more general problem of internal erosion of soils (French National Project ERINOH). This research, mainly experimental, is based on a one-dimensional physical modelling. For this, a new original prototype setup, allowing to generate permanent flow in a 18 cm inner diameter and 3 m long plexiglas pipe, has been developed. It is first filled with a highly permeable granular medium, then permanent flow of water is generated at controlled upstream pressure, and finally the grout is injected locally in order to try to block the water flow. The set-up is equipped with multiple pressure sensors, flowmeters, a turbidimeter to monitor the significant parameters that control the clogging process. The experimental parameters are the characteristics of the granular medium (soil type, hydraulic conductivity, density ...), the flow characteristics (flow rate, hydraulic gradient, flow regime ...), the rheological properties of the grout (density, viscosity, yield stress ...) and the associated injection technique. Based on the results obtained, clogging criteria are proposed, as a function of the parameters involved, in a simple form for use in practice.Key-words: internal erosion, clogging, injection, grout, bentonite, yield stress, viscosity.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des mécanismes de blocage d'un écoulement d'eau dans un milieu granulaire par injection d'un produit de colmatage, et s'inscrit plus généralement dans la problématique de l'érosion interne des sols (Projet National ERINOH). Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Pour cela, une conduite d'écoulement de 18 cm de diamètre intérieur et 300 cm de longueur maximale, constituée par plusieurs tronçons de 50 cm de longueur assemblés, a été développée. Celle-ci est tout d'abord remplie du matériau granulaire perméable à étudier ; on établit ensuite un écoulement d'eau permanent à pression imposée à l'amont ; finalement on vient injecter localement un produit de colmatage pour essayer de bloquer l'écoulement. Le dispositif est équipé de plusieurs capteurs de pression, de débitmètres, d'un turbidimètre afin de mettre en évidence les paramètres significatifs qui contrôlent le processus de blocage. Les paramètres expérimentaux sont les caractéristiques du milieu granulaire (type de sol, conductivité hydraulique, état de compacité...), les caractéristiques de l'écoulement (vitesses, gradients hydrauliques, régime de l'écoulement...), les propriétés rhéologiques du coulis d'injection (densité, viscosité, seuil de cisaillement...) et la technique d'injection associée. Sur la base des résultats obtenus, on propose des critères de blocage de l'écoulement combinant ces derniers paramètres sous une forme suffisamment simple, utilisable dans la pratique, pour répondre à la demande des industriels impliqués dans le projet de recherche ERINOH, qui sont confrontés à ces pathologies

Cette étude vise une meilleure compréhension du mode d'action des agents viscosants utilisés dans le béton afin d'améliorer sa stabilité face à la sédimentation et au ressuage. Ces produits sont utilisés dans les bétons autoplaçants, dans les ouvrages coulés sous l'eau et dans les coulis d'injection. lls servent à maintenir l'homogénéité que ce soit lors de la mise en place (stabilité dynamique), ou une fois que le béton est placé (stabilité statique). Cette étude s'est portée sur la stabilité statique et les adjuvants chimiques utilisés pour l'assurer. Ces adjuvants sont généralement des polymères naturels ou semi-synthétiques de très grande taille parmi lesquels on retrouve des gommes, des celluloses modifiés et des amidons modifiés. Ils servent principalement à augmenter la viscosité de la solution. Cette augmentation de la viscosité ralentit la sédimentation de façon à ce qu'il n'y ait pas de ressua ge visible jusqu'à la prise du béton. Certains des adjuvants, notamment les gommes, agissent par adsorption sur les particules et par pontage des particules créant une structure tridimensionnelle. Cette structure permet de ralentir la sédimentation et augmente le seuil de cisaillement de la pâte et des bétons. D'autres, comme les polyéthylène glycols, s'adsorbent peu ou pas et agissent seulement par la croissance de viscosité et possiblement par l'enchevêtrement de chaînes de polymère. ll a été observé que les agents viscosants ne stabilisent pas les suspensions inertes mais ralentissent seulement la sédimentation. La stabilisation apparaît dans les systèmes réactifs, comme le ciment, lorsqu'une structure forte se développe et s'oppose à toute migration des particules. Un autre aspect qui a été mis en évidence est l'incompatibilité qui peut survenir entre des adjuvants tels les superplastifiants et les agents viscosants. Cette incompatibilité a été observée dans le passé mais jamais expliquée auparavant. Dans cette étude deux types d'incompatibilité ont été démontrés et expliqués.

L'utilisation de la réfrigération secondaire permet de réduire l'impact environnemental des systèmes frigorifiques grâce à une réduction de l'utilisation de gaz à effet de serre, néanmoins un tel procédé abaisse l'efficacité des systèmes. Afin de rendre ce procédé plus efficace et viable, l'utilisation de fluide à forte densité énergétique ainsi qu'un couplage avec un dispositif de stockage thermique a été envisagé comme réponse à une problématique industrielle de distribution de froid (climatisation, procédés de refroidissement). Un montage expérimental constitué d'une boucle de circulation et d'un réacteur de formation a été utilisé afin d'évaluer les caractéristiques de charge et décharge d'un réseau utilisant des fluides diphasiques. Cette étude a également permis l'élaboration et la validation de modèles prédictifs (réservoir de stockage, échangeur de chaleur, écoulement) de dynamique de stockage et déstockage pour différents matériaux. Ces modèles ont ensuite été appliqués au cas d'un réseau industriel afin d'étudier l'impact du matériau de stockage choisi sur le dimensionnement du système, sur la consommation énergétique mais aussi sur sa viabilité économique. Ainsi, les résultats ont d'abord montré que l'utilisation d'un dispositif améliorait l'efficacité d'un système et que le retour sur investissement dépendait des scénarios de stockage envisagés. Enfin, une forte dépendance sur le choix du matériau a également été soulevée. / The use of secondary refrigeration can reduce cooling system impact on environment by greenhouse gas reduction, nevertheless this kind of technology reduce the system efficiency. The use of high energetic density and thermal energy storage was considered to improve system efficiency and to answer to industrial cooling process issue (air-conditioning, cooling process or temperature preservation). An experimental set-up composed by a stired tank reactor and circulation loop was used in order to evaluate the charging and discharging dynamic of a cooling district using phase change slurry. This experimental study offers the opportunity to elaborate and validate further models (stirred tank reactor, heat exchanger, flow behavior) to predict the charging and discharging behaviors for various storage materials. Then, these models were used in the case of an industrial system to observe the impact of the storage material or system sizing, energy consumption and economic sustainability. Thus, results show that the impact of the storage device on system energy efficiency and the return on investment depends on storage scenarios. Finally the impact of the chosen material on system efficiency was pointed out.