Carbone Savoie est une société française spécialisée dans les solutions cathodiques en carbone et graphite pour l’électrolyse de l’aluminium primaire. La fabrication de ces produits requiert un savoir-faire important en raison de la complexité de procédé. Le malaxage, première étape du procédé, permet le mélange intime des particules carbonées et d’un liant. Les grains carbonés de tailles variées comme le coke calciné, anthracite calciné, et le graphite constituent un empilement multimodal d’une dizaine de microns à quelques centimètres. Le liant actuel est liquide à haute température, se caractérise par un haut rendement en carbone, est cokéfiable mais toxique. La législation européenne sur les produits chimiques (REACH) l’a identifié comme « substance extrêmement préoccupante », le risque associé étant une interdiction de son utilisation. Dans ce contexte, Carbone Savoie a lancé un projet de recherche visant à substituer cette matière première dangereuse. Le premier objectif a été de déterminer des compositions possibles pour ce nouveau liant ainsi que leur comportement rhéologique. Une première composition a montré un comportement newtonien à pH basique. Un additif à point de gélification, dont le comportement a fait l’objet d’une étude, a été utilisé pour une deuxième composition. La meilleure méthode de mélange fut ensuite sélectionnée puis son efficacité avec le nouveau liant validée. Une troisième composition, qui est une suspension, a montré un comportement rhéofluidifiant. Cette dernière s’est avérée être la meilleure candidate pour substituer le brai. Le deuxième objectif du travail a été la détermination des conditions de malaxage avec le nouveau liant. L’étude du mélange granulaire carboné est basée sur une méthode de suivi d’intensité de malaxage. Grâce à la courbe d’intensité enregistrée en fonction du ratio massique liquide/solide, les différents états de l’eau dans le mélange en fonction de la saturation en liant du système ont été définis : régime pendulaire, funiculaire, capillaire et goutte. Le régime capillaire est particulièrement intéressant car il s’agit du régime d’extrusion des cathodes. L’influence sur le procédé (cinétique de mouillage, étendue du régime capillaire) de la viscosité du liant a été étudiée : une viscosité élevée permet une plus grande tolérance du procédé vis-à-vis des variations de l’empilement granulaire des matières sèches d’une formulation à l’autre ou encore la difficulté de produire des poudres de granulométrie fixe. Enfin, une corrélation entre les résultats obtenus et l’échelle industrielle a été trouvée. Les propriétés finales d’une cathode peuvent être reliées à la qualité de la pâte en sortie de malaxeur grâce à la détermination de la cohésion via une cellule de cisaillement annulaire. / Carbone Savoie is a French company specialized in the production of carbon and graphite cathodic solutions for the primary aluminum industry. The production of cathodes requires an important know-how because of its complex manufacturing process. The first step of the process consists in mixing the carbonaceous raw materials with a binder. The raw materials (calcined coke and anthracite or graphite) have different size and represent a multimodal carbon aggregate (from tens of microns to a few centimeters). The current binder is liquid at high temperature, has a high carbon yield and is coking but poisonous. The European regulations on chemical products (REACH) identified the pitch binder as “substance of very high concern”. Therefore, that product could become prohibited. Within this context, Carbone Savoie initiated a research project in order to substitute that hazardous material. First of all, the project aims at determining possible compositions for the new binder and to describe their rheological behavior. A first formulation had a Newtonian behavior for high pH values. An additive with a gel point which behavior has been studied was used for a second formulation. The best mixing process was then chosen and its efficiency was tested with this new binder. A third formulation which was a suspension showed a shear-thinning behavior. It appeared to be the best candidate to substitute pitch as a binder for the production of cathode blocks. The second goal of the project was the determination of the mixing conditions with this new binder. The study of the mixing of the carbon aggregate with the binder is based on a tracking of the mixing intensity. Thanks to the plot of the intensity-liquid/solid ratio curve, different states were defined for the system according to the binder content (pendular state, funicular state, capillary state and solid/liquid dispersion state). The capillary state is of a major concern because the paste is extruded in that state. The impact on the process (wetting kinetics, width of the capillary state) of the rheological behavior of the binder has been studied: a high viscosity allows a better tolerance to the variability in the size of the carbon aggregate from a formulation to another and also to the trouble of producing powders with very small particles sizes. Finally, a correlation between these results and the industrial scale has been found. Final properties of cathodes blocks can be linked with the paste quality just after the mixing step thanks to the determination of the paste cohesion with a ring shear tester.

Laboratory characterization of subgrade soils and unbound granular materials is an essential component of the Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Pavement ME). The design thickness and performance of a pavement structure are highly dependent on the deformation behaviour of subgrade and granular material. Specifications for granular materials vary among transportation agencies based on the availability of materials, climatic conditions, and function. Specifications aim to provide durable materials that meet design requirements and achieve the target design life with cost effective materials. The objectives of the research are to: • evaluate resilient modulus of typical fine-grained soils under traffic loading. • evaluate resilient modulus, permanent deformation, and permeability of typical unbound granular materials. • evaluate the effect of moisture and fines fraction on the performance of unbound granular materials and subgrade soil. • develop prediction models for resilient modulus to improve reliability of Level 2 inputs in the Pavement ME. • provide test data in support of updating Manitoba Infrastructure and Transportation specifications for unbound granular materials to improve the performance of pavement structures. Resilient modulus tests were conducted on three types of subgrade soil (high plastic clay, sandy clay, and silty sand/sandy silt) at four levels of moisture content. Resilient modulus, permanent deformation and permeability tests were conducted on six gradations representing two types of granular material (100% crushed limestone and gravel) at two levels of moisture content. Prediction models were developed for resilient modulus and compared to the models developed under the Long Term Pavement Performance program. The proposed models provided more reliable predictions with lower root mean square error. The deformation behaviour of the granular materials was classified according to the shakedown and dissipated energy approaches. Among the tested fines contents, limestone and gravel materials with optimum fines contents of 4.5% and 9%, respectively, had better resistance to plastic deformation and higher resilient modulus. The dissipated energy approach can be used to determine the stress ratio for the boundary between post compaction and stable zones from multistage triaxial testing. Result of permeability tests showed that the hydraulic conductivity of unbound granular material increased as the fines content decreased. / February 2016

Baigiamajame magistro darbe nagrinėjama dalelių mišinio dinaminė elgsena kvazistatiniame pusiausvyros būvyje. Pagrindinis dėmesys skiriamas mišinio makro- ir mikrobūsenai charakterizuoti. Darbo tikslas – ištirti betono užpildams būdingomis fizinėmis-mechaninėmis savybėmis pasižyminčio sferinių dalelių mišinio struktūrą ir elgseną fliuktuojančioje aplinkoje kvazistatinio pusiausvyros būvio sąlygomis. Dalelių mišinio elgsenos dinaminis modeliavimas atliktas diskrečiųjų elementų metodu (DEM). Modeliuoti viendispersis ir daugiadispersis mišiniai. Pagal gautus rezultatus, mišinio makrobūsena charakterizuojama struktūros užimama tūrio dalimi (tankumu), dalelių kontaktinėmis jėgomis bei koordinacijos skaičiumi. Atskirų mišinio dalelių mikrobūsena charakterizuojama taikant unikalų geometrinį metodą, sukurtą pagal Hamiltono mechanikos, bendrosios reliatyvumo teorijos ir kvantinės gravitacijos teorijų principus. Metodui realizuoti parengtas kompiuterinis algoritmas patvirtino iškeltas hipotezes. / In the Master Thesis an investigation of dynamical behavior of the mixture of particles under quasistatic equilibrium conditions was performed. It focuses on a characterization of the macro- and microstate of the mixture. The purpose of the research is to explore structure and behavior of the mixture of spherical particles, characterized by the typical physical-mechanical properties of concrete aggregates, in a fluctuating environment under quasistatic equilibrium conditions. Dynamic simulation of the behavior of the particles was performed via the discrete element method (DEM). According to the results obtained, the macrostate of the mixture was investigated in view of a volume fraction, contact forces of particles and a coordination number. A characterization of the microstate of distinct particle was done using the unique geometrical method which had been created according to Hamiltonian mechanics, the theory of relativity and the principles of quantum gravity. The developed computer algorithm allowed to confirm the hypotheses of the method.

Orientador: Geraldo de Freitas Maciel / Banca: João Batista Campos Silva / Banca: Márcio Benedito Baptista / Resumo: Este trabalho versa sobre ondas de gravidade geradas por impacto de massas sólidas em meio líquido. Vários ensaios com materiais granulares, simulando o deslizamento, foram conduzidos em um canal de ondas provido de rampa a montante, sobre a qual esferas de vidro e seixos rolados, de diâmetros distintos, após deslizarem, vinham impactar o meio líquido gerando ondas de submersão. O canal, localizado no Laboratório de Hidráulica e Hidrometria da UNESP - Ilha Solteira, apresenta as dimensões 0,30 m de largura, 0,50 m de altura e 10,00 m de comprimento. Os ensaios com lâmina d'água variando entre 0,13 m e 0,20 m foram executados no intuito de checar algumas propriedades desse complexo processo físico de geração de ondas, quais sejam: o campo de velocidades do material granular incidente (centro de massa e frente de deslizamento), utilizando recursos de cinematografia e tratamento de imagens; determinação de alturas de ondas através de sondas capacitivas micro-controladas; e, por fim, obtenção de velocidades orbitais na zona de geração, através de sondas ADV (Acoustic Doppler Velocimeter). Com o objetivo de validar modelo numérico desenvolvido por Maciel (1991) e aprimorado por Nascimento (2001), os ensaios experimentais subsidiaram o processo de validação do referido modelo, baseado nas equações de Serre, para o caso de materiais granulares, até então não contemplado por outros trabalhos citados na literatura. Foi também brevemente testado, o que requer aprofundamento em trabalho futuro, um modelo numérico lagrangeano, apresentado no Anexo III. Na seqüência, foi também realizada uma análise da transferência de energia do material granular incidente para o meio líquido, cujo principal objetivo era de avaliar o percentual de energia cinética do deslizamento que fora convertido em energias cinética e potencial da onda gerada... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work is about gravity waves generated by solid mass impact into liquid. Several essays with granular material, simulating a landslide, were conduced in a wave channel provided with an upstream ramp where glass spheres and pebbles (with two different diameter intervals) slide the ramp generating submersion waves. The wave channel is located at UNESP - Ilha Solteira's Hydraulics and Hydrometrics Laboratory. Its dimension is 0,30 m (width), 0,50 m (high) and 10,00 m (length). The depth of water was from 0,13 m up to 0,20 m. Some properties of the complex physic process of landslide generated waves were investigated: granular material's velocity field (trough cinematography method and image treatment); wave height was founded with micro controlled capacitance wave gauges; and orbital velocity was acquired by Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) gauges. The main aim was to validate a numeric model developed by Maciel (1991) further improved by Nascimento (2001) for granular material generated waves. The experimental essays were essential to the validation of the Serre's equation based model for granular material (do not contemplated by other works in the literature). A lagrangean numeric model was briefly tested (Anexo III). The energy transfer of the granular material to waves was also analyzed with purpose to evaluate the fraction of the solid's kinematics energy was converted in wave's kinematics and potential energies. In the engineering context, this work brings a chapter with several analytic, semi-empiric and empiric methods of water wave's height estimation. They are based on geometric characteristics and slide's dynamics. Another chapter compares those methods. / Mestre

Le comportement mécanique de matériaux granulaires est intrinsèquement lié aux propriétés individuelles des grains constitutifs ainsi qu’à leur assemblage (texture, distribution des vides, contact entre grains…). Soumis à un chargement extérieur, cet assemblage se déforme incluant le déplacement relatif entre les particules mais également la déformation propre des grains jusqu’à leur rupture si elle se produit. Pour étudier la rupture d'une seule particule, des études expérimentales et numériques ont été réalisées. Quatre particules sphériques formées de billes d’argile expansée légère ont été testées en compression à déplacement contrôlé jusqu’à la rupture (essai brésilien). Des photos ont été prises avec une fréquence d’acquisition de 4 images par seconde pour suivre la déformation des grains durant l’essai. La structure interne d'une particule a une influence significative sur l'initiation de la fissure. Pour approfondir cet effet, une micro-tomographie par rayons X a été utilisé pour scanner une particule afin d'obtenir la structure géométrique réelle en 3D. Ensuite, un modèle numérique 3D basé sur la géométrie des particules incluant la porosité interne a été construit avec Abaqus pour les mêmes conditions de chargement. Une comparaison des résultats des tests de laboratoire et des simulations a été faite. Sur la base des résultats, l’initiation des fissures, leur localisation dans le grain et la classification des ruptures de particules ont été établies. Afin d’étudier le rôle de l’anisotropie et en particulier de la fabrique d’un matériau granulaire soumis à un chargement externe, cinq essais de compression biaxiaux ont été réalisé sur un assemblage de grains quasi-sphériques placés dans une chambre confinée. Des photos ont été prises pendant les tests et ont été enregistrées selon une fréquence définie. Un programme écrit sous Matlab a été utilisé pour traiter les photos, obtenir le champ de déplacement et analyser les résultats. Un intérêt particulier a concerné l’orientation des contacts, le tenseur de fabrique et son évolution durant le chargement. L'impact de certains facteurs clés tels que la densité de compactage, la pression de confinement, la taille des plateaux de chargement, la taille des particules et l’épaisseur des échantillons sur la déformation des échantillons ont été étudiés. Une attention particulière s’est portée sur les grains subissant une rupture. Nous avons déterminé le nombre de contact sur ces grains et les avons reproduits, dans le modèle numérique (grain 3D) soumis à un chargement diamétral, par le biais de contraintes cinématiques / The mechanical behaviour of granular materials is deeply related to both the individual particle properties and to the assembly of grains (fabric, void distribution …). Subjected to an external loading, the assembly deforms which is not only dependent on relative grain displacements but also on the grain deformation and to grain breakage when occurring. Experimental and numerical studies of single particles were performed. Four approximately spherical particles of light expanded clay were tested to investigate the breakage phenomenon under diametric displacement-controlled compression load. Photos were taken with a frame rate of 4 images per second during the testing. Since the interior of a heterogeneous particle has significant influence on the failure initiation, an X-Ray micro tomography system was used to scan particles. Moreover, the post-processing enables us to obtain the real 3D volumetric structure. Then a 3D numerical model including pore structure was built in Abaqus for the same loading conditions. A comparison of results from laboratory tests and simulations was made. Based on the results, the crack initiation process, its location and classification of particle failures were set. For purpose of understanding the anisotropy and in particular fabric of packing of granular material when disturbed under external loading, five biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles settled in a chamber under confining pressure. During the test, photos were taken by the camera and saved to a computer at periodic intervals. Software written with Matlab codes was used to process the photos, determine the displacement field and analyse the results. Focus on contact orientation, fabric tensor and its evolution during testing were put on. Impact of some key factors such as packing density, confining pressure, sizes of the covers, sizes of the particles and thickness of samples on the packing characteristic were analysed. In order to understand mechanical behaviour and kinematic of multiple particles under external load considering particle breakage, six biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles. Photos were taken to record the location of each particle during the tests. Software written with of Matlab codes was used to process the photos and trace the displacement of all particles in order to analyze kinematical behaviour of the particles. A particular attention was payed to given particles subjected grain breakage within the assembly. Their contacts and relative displacements were introduced in the numerical model of single grain breakage and conclusions were derived

Cette thèse est une étude expérimentale et numérique du comportement au cisaillement de milieu granulaire humide sous l’effet de la quantité de liquide introduite et la contrainte normale appliquée. Les expériences ont été faites sur une cellule de cisaillement annulaire, pour une large gamme de contraintes appliquées allant de presque 0.3 kPa à 12 kPa. Les résultats donnent la variation de la contrainte de cisaillement en régime stationnaire en fonction de la contrainte normale pour une large variation de la quantité de liquide. Le liquide dans le milieu granulaire va de ponts liquides formés au point de contact jusqu’au remplissage totale de l'espace entre les grains. L’effet de liquide sur la résistance au cisaillement et la porosité de milieu granulaire a été analysé. Différents régimes du comportement de milieu granulaire humide ont été identifiés. Afin d’acquérir une compréhension microscopique du comportement au cisaillement de milieu granulaire sec et partiellement humide, la méthode des éléments discrets (DEM) a été utilisée. Des billes de verre de grande taille (2 mm de diamètre) ont été utilisées pour réduire le temps de simulation et faciliter la caractérisation à l’échelle de particule. Une première partie a été consacrée à l’étude de l’effet des propriétés microscopiques de particule (Module de Young et la friction de glissement) sur les propriétés macroscopiques de milieu granulaire sec et humide (le nombre de coordination, la porosité, le ratio de contraintes et la vitesse de particules). Une deuxième partie a été concernée par l’étude du comportement au cisaillement de milieu granulaire humide pour différentes fractions de liquide et différentes contraintes normales appliquées. En particulier, les forces capillaires et le nombre de ponts liquide ont été quantitativement analysés. / We study experimentally and numerically the shear behaviour of wet granular material. We investigate the effect of the liquid content and the applied normal stresses to this behaviour. An annular shear cell was used to carry out the experiments, for a large range of applied normal stress from about 0.3 kPa to 12 kPa. The results give the variation of the shear stress at steady-state as a function of the normal stress for a wide range of liquid fraction. The incorporated liquid goes from forming bridges at the contact point to completely filling the space between grains. The shear resistance and the voidage fraction variations with the liquid fraction were analysed. Depending on the applied normal stress and the liquid fraction, different regimes of the shear resistance were identified. The discrete element method (DEM) was used to gain a microscopic understanding of the shear behaviour of dry and partially wet granular material in the shear cell. Large size glass beads were used to speed up the computational time and to facilitate characterisation at the particle scale. First, the influence of the microscopic properties of the particle (The Young’s modulus and the sliding friction) on the macroscopic properties of dry and wet granular materials (the coordination number, the voidage fraction, the shear ratio and the velocity of particles) was investigated. Secondly, the shear behaviour of the partially wet granular material for different liquid fractions and normal stresses was studied. The capillary forces and the number of liquid bridges were quantitatively analysed.

Les avalanches de plaque représentent un risque naturel majeur dont la prévision demeure très difficile. Le manque de lois constitutives fiables à l’échelle du matériau rend difficiles les tentatives de modélisation de ce phénomène. Plus spécifiquement, la réponse mécanique de la neige durant et après la rupture, dans des régimes de chargements rapides , demeure relativement méconnue. La nature particulièrement fragile du matériau au sein de ce régime de déformation rend ardue la réalisation d’expériences et complique l’observation à l’échelle microstructurale.Dans ce travail de thèse, un modèle numérique de neige fondé sur la Méthode des Éléments Discrets a été développé en tant qu’alternative aux expériences. Le modèle nous permet de simuler la réponse de la neige à des chargements mécaniques en tenant compte de la microstructure réelle du matériau grâce à l’intégration d’images acquises par microtomographie à rayons X en entrée du modèle. La neige est considérée comme un matériau granulaire cohesif, et une méthode originale a été développée afin de modéliser la forme de chaque grain. Les grains individuels sont ensuite assemblés pour reconstituer la matrice de la neige grâce à la prise en compte de lois de contact cohésives.Le modèle a été utilisé afin d’explorer la réponse mécanique macroscopique de différent échantillons de neige à un chargement mixte normal-cisaillant. Trois modes de rupture ont été observés dans tous les échantillons de neige testés, en fonction du niveau de contrainte normale appliquée : une rupture en cisaillement localisée pour des niveaux de contrainte normale faibles (mode A), un effondrement normal induit par rupture en cisaillement à des niveaux intermédiaires de contrainte normale (mode B) et un effondrement normal pour des valeurs de contrainte normale élevées (mode C). Ces différents modes de rupture produisent une enveloppe de rupture fermée dans l’espace des contraintes, ce pour les différents types de neige étudiés.Les mécanismes internes conduisant à l’effondrement normal des échantillons ont été étudiés plus en détail à l’échelle microscopique. Il a été montré que ce mode de rupture était associé à un mécanisme de flambement des chaînes de force. En outre, la stabilité de ces chaînes de force semble être contrôlée par les contacts entre les éléments des chaînes et les grains environnants. La rupture de ces contacts, observée dans les modes B et C, autorise le développement du flambement des chaînes de force et aboutit à l’effondrement volumique. / Dry slab snow avalanches represent a major natural hazard that is extremely difficult to manage. Attempts to model this phenomenon are hindered by the lack of a constitutive law that would describe the mechanical behaviour of snow on a material scale. In particular, relatively little is known on the failure and post-failure response of snow at high loading-rates. The highly fragile nature of the material in this deformation regimerenders experimental investigation difficult and complicates observation at the microstructural level.As an alternative to experiments, a Discrete Element Method-based numerical model of snow is developed in this thesis. The model enables us to simulate the response of snow to mechanical loading, while accounting for actual snow microstructure by using X-ray attenuation images of snow microstructure as input. Snow is considered as a cohesive granular material and an original methodology is developed in order to model the shape of each grain. Individual grains are bound into the snow matrix by modelling cohesion between neighbouring grains.The model is then used to explore the macroscopic mechanical response of different snow samples to mixed-mode loading. Three typical modes of failure are observed in all tested snow samples, depending on the level of applied normal stress: a localized shear failure at low normal stress (mode A), a shear failure-induced volumetric collapse at intermediate levels of normal stress (mode B), and a normal failure and collapse for high values of normal stress (mode C). The observed failure modes result in closed failure envelopes and no qualitative difference is observed between the mechanical responses of different snow types.The internal mechanisms that lead to volumetric collapse are further examined on the microscale. Force chain buckling is identified as a trigger of this material instability. Additionally, force chain stability appears to be controlled by the contacts between the force chain members and the surrounding grains. The failure in these contacts, which is evidenced in modes B and C, allows force chain buckling to develop and results in subsequent volumetric collapse.

Dans des milieux tels que les gaz, les plasmas et les milieux granulaires, un objet se déplaçant à des vitessessupersoniques, compresse et chauffe le fluide devant lui, formant ainsi une onde de choc. La zone hors-équilibreappelée front d’onde, où ont lieu de brusques variations de température, pression et densité, présente unestructure particulière, avec notamment des distributions des vitesses des particules fortement non-gaussienneset difficiles à visualiser. Dans une avancée importante en 1951, Mott-Smith décrit le front d’onde comme lasuperposition des deux états que sont le gaz supersonique initial et le gaz subsonique compressé et chauffé,impliquant ainsi l’existence de distributions des vitesses bimodales. Des expériences à grands nombres de Machont confirmé cette structure globalement bimodale. Ce modèle n’explique cependant pas la présence d’un surplusde particules à des vitesses intermédiaires, entre le gaz supersonique et le gaz subsonique.Ce travail de thèse porte sur l’étude des ondes de choc dans les gaz granulaires, où les particules interagissentuniquement par des collisions binaires inélastiques. Dans ces gaz dissipatifs, la température granulaire, traduisantl’agitation des particules, permet de définir l’équivalent d’une vitesse du son par analogie aux gaz moléculaires.Les basses valeurs de ces vitesses du son dans les gaz granulaires, permettent de générer facilement des ondes dechoc dans lesquelles chaque particule peut être suivie, contrairement aux gaz moléculaires. La première partie decette étude porte sur l’effet de la dissipation d’énergie, due aux collisions inélastiques, sur la structure des ondesde choc dans les gaz granulaires. Les modifications induites sur la température, la densité et la vitesse moyennemesurées, sont interprétées à l’aide d’un modèle basé sur l’hypothèse bimodale de Mott-Smith et intégrant ladissipation d’énergie. La deuxième partie est consacrée à l’interprétation des distributions des vitesses dans lefront d’onde. À partir des expériences réalisées dans les gaz granulaires, une description trimodale, incluant unétat intermédiaire supplémentaire, est proposée et étendue avec succès aux distributions des vitesses dans lesgaz moléculaires. / In different materials such as gases, plasmas and granular material, an object, moving at supersonic speed,compresses and heats the fluid ahead. The shock front is the out-of-equilibrium area, where violent changesin temperature, pressure and density occur. It has a particular structure with notably strongly non-Gaussianparticle velocity distributions, which are difficult to observe. In an important breakthrough in 1951, Mott-Smithdescribes the shock front as a superposition of two states: the initial supersonic gas and the compressed andheated subsonic gas, implying existence of bimodal velocity distributions. Several experiences at high Machnumbers show this overall bimodal structure. However this model does not explain the existence of a surplusof particles with intermediate velocities, between the supersonic and the subsonic gas.This thesis focuses on shock waves in granular gases, where particles undergo only inelastic binary collisions.In these dissipative gases, the granular temperature, reflecting the particle random motion, allows to definethe equivalent to the speed of sound by analogy with molecular gases. The low values of this speed of soundpermit to generate easily shock waves in which each particle can be tracked, unlike molecular gases. The firstpart of this work focuses on the effect of the energy dissipation, due to inelastic collisions, on the shock frontstructure in granular gases. Modifications induced on temperature, density and mean velocity, are captured bya model based on the bimodal hypothesis of Mott-Smith and including energy dissipation. The second part isdevoted to the study of velocity distributions in the shock front. From experiences in granular gases, a trimodaldescription, including an additional intermediate state, is proposed and successfully extended to the velocitydistributions in molecular gases.

Cette thèse de doctorat introduit un modèle et un algorithme six-dimensions pour la reconstruction des orientations cristallines locales dans les matériaux polycristallins. Le modèle s’applique actuellement aux données obtenues avec un rayonnement synchrotron (faisceau parallèle et monochromatique), mais il est également possible d’envisager des extensions aux instruments et sources de laboratoire (polychromatique et divergent). Le travail présenté est principalement une extension de la technique connue sous le nom de “Diffraction Contrast Tomography” (DCT) qui permet la reconstruction de la forme et de l’orientation cristalline des grains dans des matériaux polycristallins (avec certaines restrictions concernant la taille et le nombre total de grains ainsi que la mosaicité intragranulaire). / This Ph.D. thesis is about the development and formalization of a six-dimensional tomography method, for the reconstruction of local orientation in poly-crystalline materials. This method is based on a technique known as diffraction contract tomography (DCT), mainly used in synchrotrons, with a monochromatic and parallel high energy X-ray beam. DCT exists since over a decade now, but it was always employed to analyze undeformed or nearly undeformed materials, described by “grains” with a certain average orientation. Because an orientation can be parametrized by the used of only three num- bers, the local orientation in the grains is modelled by a six-dimensional space X6 = R3 ⊗ O3, that is the outer product between a three-dimensional real- space and another three-dimensional orientation-space. This means that for each point of the real-space, there could be a full three-dimensional orientation- space, which however in practice is restricted to a smaller region of interest called “local orientation-space”. The reconstruction problem is then formulated as a global minimisation prob- lem, where the reconstruction of a single grain is the solution that minimizes a functional. There can be different choices for the functionals to use, and they depend on the type of reconstructions one is looking for, and on the type of a priori knowledge is available. All the functionals used include a data fidelity term which ensures that the reconstruction is consistent with the measured diffraction data, and then an additional regularization term is added, like the l1-norm minimization of the solution vector, that tries to limit the number of orientations per real-space voxel, or a Total Variation operator over the sum of the orientation part of the six-dimensional voxels, in order to enforce the homogeneity of the grain volume. When first published, the results on synthetic data from the third chapter high- lighted some key features of the proposed framework, and showed that it was in principle possible to extend DCT to the reconstruction of moderately de- formed materials, but it was unclear whether it could work in practice. The following chapters instead confirm that the proposed framework is viable for reconstructing moderately deformed materials, and that in conjunction with other techniques, it could also overcome the limitations imposed by the grain indexing, and be applied to more challenging textured materials.

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erweiterung der Kenntnisse über das nichtlinear-elastische Spannungs-Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB). Ein analytisches Bemessungsverfahren ist aufgrund der schwierigen Modellierbarkeit des Verformungsverhalten der einzelnen Straßenbaustoffe bisher nicht existent. Die Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung eines solchen Bemessungsverfahrens leisten. Eine Literaturrecherche zum Verformungsverhalten von ToB bildet die Grundlage für die Festlegung der Vorgehensweise. Basis der weiteren Untersuchungen sind Triaxialversuche, die an der Universität Nottingham an verschiedenen Gesteinskörnungen durchgeführt wurden. Mit Hilfe der Shakedown-Theorie konnte belegt werden, dass sich ToB in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen nach verschiedenen Gesetzmäßigkeiten verhalten und dass Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von ToB bereichsweise verschieden formuliert werden müssen. Somit ist es möglich, Gültigkeitsgrenzen für elastische Stoffmodelle zu ermitteln sowie Beanspruchungsgrenzen für ToB festzulegen. Mit ausgewählten Stoffmodellen erfolgten Beanspruchungsberechnungen nach der Finite-Elemente Methode (FEM). Die beste Annäherung zwischen Messwerten und Rechenergebnissen ergibt sich bei Anwendung des DRESDNER Modells. Berechnungen für Befestigungen nach den RStO 01 haben gezeigt, dass die Beanspruchungen auf den ToB bei Anwendung des DRESDNER Modells stark von denen bei Anwendung linearer Elastizität abweichen können. Durch unterschiedliche Überbauungsdicken der ToB besitzen diese einen verschieden hohen Anteil am Tragverhalten der Befestigung. Abschließend wird eine Methode zur Ermittlung von Sicherheitsniveaus vorgestellt. Bei Kenntnis der entsprechenden Schichtparameter lassen sich die Beanspruchungen jeder beliebigen Bauweise mit denen von Bauweisen nach RStO vergleichen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass das Sicherheitsniveau einer bestimmten Bauweise nach RStO genauso groß ist, wie eine Befestigung mit einer dünneren Asphalttragschicht, dafür jedoch einer steiferen ToB. / The aim of this thesis was the extension of the knowledge about the resilient stress-deformation behaviour of unbound granular materials (UGM). Due to difficulties in modelling the behaviour of the single materials an analytical design method does not exist at present. Therefore this thesis makes a contribution for developing such a design method. A study of international publications about the current knowledge of the stress-deformation behaviour of UGM and repeated load triaxial tests, which have been performed at Nottingham University, were the base for all further investigations. With the shakedown concept it could be shown that materials behave in a different manner depending on the applied stress level and that material laws for describing the resilient deformation behaviour of UGM have to be formulated separately for different stress ranges. Within this thesis a method is introduced which helps to find boarders for the applicability of different material laws and limiting stress lines where below the lines stable behaviour and admissible deformations for the material are expected. Applying selected material laws finite element calculations have been performed. Comparing calculation results with measurement results it can be shown that the Dresden model offers the best approach. Calculations for pavement constructions applying the Dresden model have resulted that the vertical stresses differ very much in comparison with elastic behaviour for the UGM. It can be concluded that the thickness of the covering bounded layers have an effect to the contribution of the unbound granular layers at the complete deformation behaviour of the pavement construction. Finishing a method is introduced to determine the safety levels of pavement constructions. It seems to be possible to compare the stress-strain levels of any pavement construction with those from the german standard RStO 01. Existing functions could be modified to determine safety coefficients, i. e. ratios between admissible and existing numbers of load cycles. It can be concluded that there are the same safety levels for different pavement constructions ? a thinner asphalt layer can be compensated with a stiffer UGM.