Cette étude a pour but d'améliorer la compréhension et la modélisation du comportement en indentation de substrats de verre revêtus.<br /><br />Nous nous intéressons d'abord au contact élastique sur un substrat revêtu. Nous développons un algorithme semi-analytique permettant un calcul efficace de ce type de contacts. L'influence des désaccords de propriétés élastiques sur la réponse mécanique est étudiée. La méthode d'Oliver et Pharr induit une erreur sur la valeur du rayon de contact sur des systèmes revêtus. Nous proposons des pistes pour résoudre ce problème.<br /><br />Nous nous intéressons ensuite au comportement élastoplastique du verre de silice. Nous utilisons la microspectroscopie Raman pour évaluer la densité locale de ce matériau et ainsi cartographier la densification dans de la silice amorphe indentée et caractériser en pression hydrostatique de l'écrouissage de ce matériau. La prise en compte de cet écrouissage améliore les lois de comportement existantes. Nous étudions l'augmentation de la raideur de la silice amorphe avec sa densité. Nous utilisons la luminescence de Cr3+ pour étendre ces méthodes expérimentales à d'autres verres silicatés.

Ce manuscrit de thèse présente les résultats d'une étude à caractère expérimental pour comprendre les mouvements convectifs et les phénomènes de densification dans les milieux granulaires en 3D vibrés horizontalement. Le milieu granulaire est un sable sec représentatif des milieux granulaires non cohésifs. Les travaux réalisés ont mis en évidence le fait que, quand un empilement granulaire est soumis à des vibrations horizontales à une fréquence fixe et une accélération croissante, il se ségrége en une couche supérieure à comportement fluide, lieu de deux rouleaux de convection contrarotatifs, et un bloc inférieur à comportement solide, à partir d'une accélération seuil définissant une transition vers la fluidisation. Une étude quantitative, menée principalement à une fréquence de 50 Hz, s'est basée sur une technique de type PIV pour mesurer le champ de déplacements des grains aux parois et une technique de profilométrie optique pour mesurer la compacité globale de l'empilement La mesure du champ de déplacements des grains a permis de déterminer l'évolution de l'épaisseur des rouleaux de convection, EF, avec l'accélération relative. L'influence de différents paramètres a été étudiée. La courbe EF =f(Accélération relative) est indépendante de la compacité initiale, de la hauteur initiale, dans une certaine mesure, et ne présente pas d'hystérésis. Quant à la compacité globale dynamique de l'empilement, elle augmente avec l'accélération, passe par un maximum et diminue par la suite. L'obtention de ce maximum est due à la compensation de deux tendances contraires. En effet, un affaissement, hétérogène en hauteur, a été observé et mesuré au cours d'un régime transitoire. Ce phénomène tend à densifier l'empilement. Au contraire, les mouvements convectifs, de plus en plus rapides, des grains pendant le régime stationnaire tendent à dilater l'empilement. In Fine, un protocole expérimental visant à optimiser la compacité et l'homogénéité d'un empilement granulaire a été proposé au partenaire industriel de cette étude (Ferraz-Shawmut). Il fait l'objet d'un dépôt de brevet.

Cette étude de la compaction d'un empilement granulaire par vibrations horizontales a été réalisée dans le cadre d'un partenariat avec le groupe MERSEN pour une application au sable contenu dans ses fusibles. L'objectif scientifique est de développer la compréhension des mécanismes mis en jeu dans un milieu granulaire vibré horizontalement. Deux approches ont été utilisées en parallèle, l'une expérimentale, l'autre par simulation numérique. L'approche expérimentale a été réalisée sur des grains de silice de diamètre moyen 500 m. Un récipient de quelques centimètres est soumis à un mouvement sinusoïdal de fréquence comprise entre 20 et 200 Hz avec des accélérations allant jusqu'à 10 g. Le dispositif instrumenté permet la mesure instantanée de la force et de l'accélération, la vitesse des grains aux parois (PIV) ainsi que la densité globale du milieu. L'approche numérique est basée sur la méthode des éléments discrets (DEM). Des méthodes spécifiques d'analyse des résultats ont été développées pour assurer la comparaison avec l'expérience. Elles permettent d'obtenir des informations qui ne sont pas accessibles expérimentalement comme les densités, vitesses et contraintes locales dans l'ensemble de l'empilement. Dans le cas d'un récipient ouvert, la simulation permet de retrouver les résultats expérimentaux : rouleaux de convections, seuils de comportement, influence de l'accélération... Des résultats originaux ont été établis dans les expériences et les simulations comme une croissance de la vitesse des grains avec la longueur du récipient. La simulation a aussi permis d'obtenir des résultats spécifiques comme l'influence du coefficient de friction sur le sens des rouleaux et la caractérisation des contraintes au sein de l'empilement. L'écoulement des grains à travers des orifices circulaires de différentes dimensions a été également étudié. Le comportement du sable dans un récipient fermé (milieu confiné) a été étudié au cours d'un remplissage progressif. Des différences significatives ont été constatées lorsque le taux de remplissage devient élevé. Des mesures d'accélération et de force sur l'ensemble du dispositif ont permis de définir et de mesurer une masse apparente et l'énergie dissipée par le dispositif. Des modèles descriptifs ont permis de comprendre les comportements observés. Ces résultats sont à l'origine d'un brevet déposé par le groupe MERSEN sur le contrôle du remplissage.

Geotechnical engineers often face important discrepancies between the observed and the predicted behavior of geosystems. Two conceptual frameworks are hypothesized as possible causes: the ubiquitous spatial variability in soil properties and process-dependent terminal densities inherent to granular materials. The effects of spatial variability are explored within conduction and diffusion processes. Mixtures, layered systems, inclusions and random fields are considered, using numerical, experimental and analytical methods. Results include effective medium parameters and convenient design and analysis tools for various common engineering cases. In addition, the implications of spatial variability on inverse problems in diffusion are numerically explored for the common case of layered media. The second hypothesis states that there exists a unique terminal density for every granular material and every process. Common geotechnical properties are readily cast in this framework, and new experimental data are presented to further explore its implications. Finally, an unprecedented field study of blast densification is documented. It involves comprehensive laboratory and site characterization programs and an extensive field monitoring component. This full scale test lasts one year and includes four blasting events.

In this study, prealloyed austenitic stainless steel and premixed soft magnetic Ni-Fe permalloy compacts were consolidated through microwave and conventional sintering routes at combinations of various sintering temperatures and compaction pressures. Sintered alloys were characterized in terms of their densification, microstructural evolution as well as mechanical and magnetic properties. The effect of sintering method in terms of the applied sintering parameters on the final properties of the compacts were investigated in a comparative manner. It was determined that microwave sintered permalloys are superior compared to their conventionally sintered counterparts in densification response, microstructural characteristics such as pore shape and distribution as well as mechanical properties for both austenitic stainless steel and permalloy compacts. However, permeability of the microwave sintered permalloys was inferior to their conventionally sintered counterparts in some cases due to microstructural refinement associated with microwave sintering route.

This dissertation focuses on developing a predictive method for determining the dynamic densification behavior of thermite powder mixtures consisting of equivolumetric mixtures of Ta + Fe₂O₃ and Ta + Bi₂O₃. Of primary importance to these highly reactive powder mixtures is the ability to characterize the stress at which full compaction occurs, the crush strength, which can significantly influence the stress required to initiate reaction during dynamic or impact loading. Examined specifically are the quasi-static and dynamic compaction responses of these mixtures. Experimentally obtained compaction responses in the quasi-static regime are analyzed using available compaction models, and an analysis technique is developed that allows for a correct measurement of the apparent yield strength of the powder mixtures. The correctly determined apparent yield strength is combined with an equation of state to yield a prediction of the shock densification response, including the dynamic crush strength of the thermite powder mixtures. The validated approach is also extended to the Al + Fe₂O₃ thermite system. It is found that accurate predictions of the crush strength can be obtained through determination of the apparent yield strength of the powder mixture when incorporated into the equation of state. It is observed that the predictive ability in the incomplete compaction region is configurationally dependent for highly heterogeneous thermite powder systems, which is in turn influenced by particle morphology and differences in intrinsic properties of constituents (density, strength, etc.).

The Metro Vancouver region is experiencing high levels of population and employment growth within a strictly limited land base. With increasing competition for land, industrial land in particular is under considerable pressure to be converted to other uses, such as residential and commercial, with the current supply of industrial land is expected to be exhausted within 15 years. Without the ability to expand the industrial land base to meet the region’s future industrial needs, more efficient use of existing industrial lands must be achieved. In recognition of this, the region is investigating intensification policies to encourage better utilization and intensification of industrial lands for industrial activities. The early work on industrial land intensification highlighted a gap in planning literature and practice with respect to how the intensity of industrial land use is defined and measured. A better understanding of intensification in the industrial land context is required for the region to develop industrial land intensification policies. This research practicum explores expanded definitions and measures of intensification. The inquiry develops a prototype analytical tool designed to communicate these definitions and measures and to facilitate the evaluation of industrial land intensification. The prototype tool is based on sustainability assessment tools used in sustainable development planning. Through semi-structured interviews with industrial land stakeholders, expanded definitions and measures of industrial intensification were considered and the prototype tool was refined. The project concludes with a discussion of future directions for the prototype tool, including the development of multiple versions of the tool at different scales and for different industrial sectors; the creation of an intensification rating system; and the adaptation of the tool into a checklist to be integrated into municipal development application processes. These evolutions of the prototype tool anticipate how it could be integrated into planning and development practices and inform industrial land intensification policies in areas such as the Metro Vancouver region. / October 2015

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Densification of tailings slurries to mature fine tailings (MFT) is important in the oil sands industry for tailings inventory reduction, pore water recovery and tailings reclamation. The cause of methane release from the tailings pond of Shell Albian Sands (Albian) and the effects this process has on densification of Albian tailings was investigated. Citrate, added to tailings with polyacrylamide and hydrocarbon-diluent, was identified as the methanogenic substrate. Bacterial and Archaeal 16S rRNA gene sequences in Albian MFT were dominated by matches to Rhodoferax, some Clostridia and sulfate-reducing bacteria, and acetoclastic methanogens. Citrate-, diluent-, and polyacrylamide-amendments to Albian MFT did not cause a microbial shift over a 10-month laboratory incubation period. A potential pathway for microbial methane production in Albian MFT is proposed. Methane production and release from citrate-amended Albian MFT correlated to accelerated densification. Though diluent and polyacrylamide did not affect methanogenesis, they potentially affect gas bubble formation and release. / Microbiology and Biotechnology