Une étude d'un assemblage symétrique de trois 4-simplex en géométrie classique, de Regge et quantique. Nous étudions les propriétés géométriques et surtout la présence de courbure. Nous montrons que les géométries classique et de Regge de l'assemblage ont une courbure qui évolue en fonction de ses paramètres de bordure. Pour la géométrie quantique, une version euclidienne du modèle EPRL est utilisé avec une valeur pratique du paramètre Barbero-Immirzi pour définir l'amplitude de transition de l'ensemble et de ses composants. Un code C ++ est conçu pour calculer les amplitudes et étudier numériquement la géométrie quantique. Nous montrons qu'une géométrie classique, avec une courbure, émerge déjà à bas spin. Nous reconnaissons également l'apparition de configurations dégénérées et de leurs effets sur la géométrie attendue. / A study of symmetrical assembly of three euclidean 4-simplices in classical, Regge and quantum geometry. We study the geometric properties and especially the presence of curvature. We show that classical and Regge geometry of the assembly have curvature which evolves in function of its boundary parameters. For the quantum geometry, a euclidean version of EPRL model is used with a convenient value of the Barbero-Immirzi parameter to define the transition amplitude of the assembly and its components. A C++ code is design for compute the amplitudes and study numerically the quantum geometry. We show that a classical geometry, with curvature, emerges already at low spin. We also recognize the appearance of the degenerate configurations and their effects on the expected geometry.

Les matériaux cellulaires poreux de type mousse présentent un grand intérêt pour de nombreuses applications. Leurs propriétés thermiques, mécaniques, acoustiques dépendent fortement de leur microstructure complexe. Afin de mieux comprendre la relation microstructure/propriétés mécaniques de ces matériaux, une modélisation micromécanique basée sur une méthode d’homogénéisation périodique et le lemme de Hill est proposée pour prédire les propriétés élastiques effectives de ces matériaux. Une approche basée sur le diagramme de Voronoï est utilisée pour générer des structures de mousse périodiques réalistes plus ou moins irrégulières, couvrant une large gamme de matériaux . Différents types de mousses à forte porosité sont générés, non seulement des matériaux cellulaires à pores ouverts mais aussi des matériaux cellulaires à pores fermés. Des comparaisons avec des résultats issus de tomographie X d’architectures réelles 3D de mousses valident ces approches de Voronoï. Les simulations numériques permettent d’étudier l’influence des paramètres morphologiques des mousses sur les propriétés élastiques effectives. De nouvelles lois analytiques génériques de propriétés effectives sont déduites pour des mousses à cellules ouvertes de type Kelvin. Une attention particulière est portée sur la détermination de l’élément de volume représentatif (VER). Des méthodes statistiques spécifiques sont proposées pour déterminer le VER approprié aux modèles de mousse. Dans le cas des mousses polymères isolantes à cellules fermées irrégulières anisotropes, la confrontation avec des résultats d’essais mécaniques confirme la validité des modèles développés. / Thanks to the excellent combination of physical, mechanical and thermal properties, foam materials bring new possibilities to extend the range of the properties for engineering, which is limited by fully dense solids. In this study, a micromechanical modeling based on Hill's lemma (Hill's lemma periodic computational homogenization approach) is proposed for predicting the effective elastic properties of foam materials. An approach based on Voronoi diagram is used to generate realistic periodic foam structures, including regular and irregular open-cell structures, and irregular closed-cell structures. First, the influences of morphological parameters of open-cell foams on the effective elastic properties are studied. The generated structures allow representing the details of the microstructure and cover a large range of foam materials for engineering purposes. With the assessments, new generic analytical laws are proposed for Kelvin open-cell foams by considering their morphological parameters. Second, the tomography images are analysed to obtain the morphological description of the real irregular open-cell structure. With these morphological parameters, numerous numerical realistic structures are generated. Specific statistic methods are proposed to determine the Representative Volume Element (RVE) for foam models. Third, the anisotropic irregular closed-cell foam is studied. The numerical structures are generated with the morphological description of the reconstructed tomography structure and the effective elastic properties of the closed-cell foam models are estimated. The numerical results show the satisfying agreement with the experimental results.

Il existe de nombreuses technologies de décontamination, néanmoins les spores et les biofilms bactériens demeurent une préoccupation majeure dans de nombreux domaines, tels que le secteur hospitalier, alimentaire et de la biodéfense car elles sont résistantes. Une mousse novatrice contenant un biocide (l’hypochlorite de sodium ou le peroxyde d’hydrogène) et un agent stabilisant (le Xanthane) a été étudiée pour répondre à ce besoin. Cette mousse a la capacité d’être mise en oeuvre de différentes façons sur le terrain par : pulvérisation au sol ; talochage et pulvérisation sur les murs ; remplissage de pièces entières (murs et sols). Le travail de thèse est d’évaluer les modes d’action biocide de ces mousses sur les spores et les biofilms. Afin d’étudier le mode d’action de ces mousses des protocoles expérimentaux ont été mis au point sur les spores et les biofilms suivant leurs futures mises en oeuvre (horizontale, verticale et remplissage) et suivant différents facteurs environnementaux pouvant influencer leur efficacité de décontamination (températures, salissures, matériaux, …). L’ensemble de ce travail de thèse a permis de distinguer l’intérêt de la mousse au Xanthane contenant NaOCl 5% par rapport à celle H2O2 12% pour répondre aux besoins spécifiques de la décontamination des agents de la menace biologique. Cette mousse permet une décontamination rapide de 7 logs de spores en 30 minutes pour chacune des trois voies de mise en oeuvre à 20°C. De plus, elle permet la destruction de biofilms contenant 107 de bactéries/cm² en 1 heure maximum sur un support horizontal et par remplissage. Cette mousse NaOCl est suffisamment mature pour pouvoir réaliser un futur transfert industriel. / Several decontamination technologies exist, however bacterial spores and biofilms remain a concern in a lot of fields, like hospital, alimentary and military. A new foam containing a biocide (sodium hypochlorite or hydrogen peroxide) and a stabilizing agent (Xanthan) has been studied to answer this problematic. This foam can be used in different ways on the field following contaminations: grounds’ spraying, walls’ covering and spraying, full pieces’ filling (walls and ground). The goal of this thesis is to evaluate the biocide efficiency of these foams on spores and biofilms. We optimized experimental protocols in order to study mechanisms of foams’ action on spores and biofilms based on theirs future applications (horizontal, vertical and filling) and depending on different environmental factors which may impact foam decontamination efficiencies (materials, temperatures, soil, …). This thesis work enabled to highlight the Xanthan foam containing 5% NaOCl from the one including 12% H2O2 in military sector. This foam allows a rapid decontamination, about 7 logs of spores in 30 minutes, for each of the three ways of use at 20°C. Moreover, the destruction of biofilms containing 107 logs of bacteria/cm² was achieved in 1 hour on a horizontal support by filling. This NaOCl foam is ready to be used for industrials.

Les zones sources formées par les organochlorés dans les sols (DNAPL) peuvent contaminer les aquifères pour plusieurs siècles en alimentant un panache de composés dissous. Pour épuiser ces zones sources, pomper le DNAPL est la solution la plus simple, mais l’efficacité est limitée par le cheminement préférentiel de l'eau dans le sol et les forces capillaires qui piègent le DNAPL. Les stratégies plus agressives (dissolution, traitement thermique, dégradation chimique…) sont aussi plus coûteuses. Dans cette thèse, deux stratégies de traitement à base de mousse de surfactant ont été développées et évaluées au laboratoire en préparation d’un essai terrain. La première stratégie utilise l’injection de mousse en zone source pour mobiliser de façon contrôlée le DNAPL et le diriger vers des puits de pompage. Dans les meilleures conditions, la saturation en DNAPL après traitement a pu être abaissé en dessous de 1 % avec une consommation de surfactant inférieure à 10 g kg-1 de DNAPL éliminé. La seconde stratégie utilise la mousse comme vecteur de réactif (hydrogène) pour accélérer la biodégradation des composés dissous dans le panache. Sous forme de mousse, l’hydrogène a été délivré de façon ciblée et plus rémanente dans l’horizon à traiter. Les technologies développées se sont montrées très prometteuses à l’échelle du terrain et lors de l’évaluation technico-économique. De la recherche reste nécessaire pour rendre ces procédés plus prédictibles lors de leur mise en œuvre. / Source zones formed by chlorinated organic compounds in soils (DNAPL) can contaminate aquifers for several centuries by feeding a plume of dissolved compounds. To deplete those source zones, DNAPL pumping is the simplest option, but the efficacy is limited by preferential water flow in the soil and capillary forces that are trapping the DNAPL. More aggressive strategies (dissolution, thermal treatment, chemical degradation...) are also costlier. Within this thesis work, two treatment strategies using surfactant foam were developed and assessed at lab-scale to prepare field assessment. The first strategy relies on foam injection in the source zone to mobilize the DNAPL in a controlled fashion to drive it ahead to pumping wells. In the best conditions, DNAPL saturation was lowered below 1% after treatment with a surfactant consumption below 10 g kg-1 of DNAPL removed. The second strategy uses foam as a reagent (hydrogen) carrier to accelerate the biodegradation of dissolved compounds in the plume. When injected as a foam, hydrogen was delivered in a targeted and more persistent manner in the strata to be treated. Developed technologies showed to be promising at field-scale and when the technico-economic assessment was conducted. Research still remains to be done to make those techniques more predictable during their implementation.

Cette étude a pour objectif d’élaborer des mousses de géopolymère à macroporosité connectée pour le traitement des effluents liquides radioactifs. La première partie de ce travail a consisté à synthétiser des monolithes de géopolymères par moussage direct en utilisant le peroxyde d’hydrogène (H2O2) comme agent porogène. Celui-ci se décompose en milieu basique pour produire de l’oxygène et ainsi produire la mousse de géopolymère par nucléation/croissance de bulles d’oxygène jusqu’à épuisement du terme source et/ou prise du matériau. Pour stabiliser les bulles de gaz générées, l’ajout d’un tensioactif est nécessaire pour limiter les phénomènes de coalescence. L’influence de la concentration en H2O2, de la nature chimique du tensioactif et de la viscosité de la pâte sur la cinétique de production et sur les propriétés finales de la mousse ainsi produite a été étudiée. Les résultats montrent classiquement qu’une forte concentration initiale de H2O2 produit des mousses de forte porosité, avec des tailles de pores élevées et des propriétés mécaniques moindres. Par contre, le choix de la nature chimique du tensioactif a une très forte influence d’une part de la rhéologie de la pâte de géopolymère et d’autre part sur les propriétés du réseau poreux. En effet, par un choix approprié du tensioactif, il est possible d’obtenir des mousses de géopolymères à macroporosité fermée ou ouverte, avec des distributions en taille de pores plus ou moins étalées et de bonnes propriétés mécaniques. A l’issue de cette première étape, un monolithe de géopolymère à porosité ouverte a été fonctionnalisé par précipitation des particules d’hexacyanoferrate de cuivre connues pour être très sélectives vis-à-vis du césium. Les essais ont été réalisés en mode batch dans différents milieux (eau pure, eau douce et eau douce chargée de cations compétiteurs de charge en concentration importante). Les cinétiques et les isothermes d’adsorption du césium ont été déterminées sur une large gamme de concentration en césium (de l’état de trace jusqu’à 1000 ppm) et la mousse de géopolymère fonctionnalisée a montré des performances remarquables pour le piégeage sélectif du césium par rapport à une mousse non fonctionnalisée. En effet, les essais en milieu radioactif (trace de césium dans l’eau douce) ont montré que la valeur du coefficient de distribution (Kd) pour la mousse fonctionnalisée est de l’ordre 5.5 105 ml.g-1. / This study aims to develop geopolymer foams with connected macroporosity for the treatment of radioactive liquid wastes. The first part of this work was to synthesize geopolymer monoliths by direct foaming using hydrogen peroxide (H2O2) as blowing agent. It decomposes in a basic medium to produce oxygen and thus produces the geopolymer foam by nucleation and growth of oxygen bubbles until exhaustion of the source term and/or setting of the material. To stabilize the generated gas bubbles, the addition of a surfactant is necessary to limit coalescence phenomena. The influence of the H2O2 concentration, the chemical nature of the surfactant and the viscosity of the paste on the kinetics of production and on the final properties of the foam thus produced, was studied. The results conventionally show that a high initial concentration of H2O2 produces high porous foams, with high pore sizes and less mechanical properties. On the other hand, the choice of the chemical nature of the surfactant has a very strong influence on the one hand on the rheology of the geopolymer paste and on the other hand on the properties of the porous network. Indeed, by an appropriate choice of the surfactant, it is possible to obtain geopolymer foams with closed or open macroporosity, with pore size distributions more or less spread and with good mechanical properties. At the end of this first step, a well-connected geopolymer monolith was functionalized by precipitation of copper hexacyanoferrate particles known to be very selective with respect to cesium. The tests were performed in batch mode in different media (pure water, fresh water and fresh water loaded with competitor cations in high concentration). The kinetic and adsorption isotherms of cesium were determined over a wide range of cesium concentration (from trace to 1000 ppm) and the functionalized geopolymer foam showed remarkable performance for selective entrapment of cesium as compared to an unfunctionalized foam. Indeed, the tests in radioactive medium (trace of cesium in fresh water) have shown that the value of the distribution coefficient (Kd) for the functionalized foam is around 5.5 105 ml.g-1.

Le projet de la thèse a consisté au développement et à l’évaluation des performances d’une mousse syntactique phénolique pour la réalisation d’un système sandwich multicouche (cœur/peau en matériau composite). Il permet d’assurer la protection thermique, mécanique et au feu en particulier contre l’impact d’un feu torche. Un feu torche peut survenir sur un site pétrochimique suite à l’inflammation d’une fuite de fluides inflammables sous pression pouvant être très dévastateur par son effet abrasif et le flux convectif et radiatif intense. Le travail s’est essentiellement axé sur l’étude de l’efficacité de la mousse syntactique phénolique à partir d’une analyse de la relation microstructure-propriété. Les exigences de mise en œuvre ont imposé une maîtrise de la formulation par une bonne compréhension de la réactivité de la résine, notamment par rapport aux différentes transformations physiques (gélification, vitrification) qui ont lieu pendant le processus de réticulation. Il s’agit alors d’optimiser le dosage des différents composés actifs et additifs vis-à-vis des contraintes de mise en œuvre afin de parvenir à des propriétés optimales du matériau final. L’efficacité de ce dernier dans les conditions normales d’utilisation a été déterminée par une phase d’expérimentation complète sur ses propriétés mécaniques, thermiques et thermomécaniques. Des tests au feu ont permis d’étudier son comportement au feu afin de vérifier ses propriétés protectrices sous l’impact d’une flamme issue d’un feu torche. Enfin, un essai instrumenté capable de reproduire en condition réelle une fuite de gaz de propane à haute pression a été mis au point pour évaluer la performance au feu torche d’un prototype industriel complet. En parallèle, un modèle numérique simplifié a été proposé afin de simuler l’impact d’un tel feu. / This work consisted in the development and the evaluation of a phenolic syntactic foam performance for the production of a multilayer sandwich system (core/skin in composite material). It ensures thermal, mechanical and fire protection, in particular against the impact of a jet fire. A jet fire can occur on a petrochemical site resulting from the combustion of a fuel continuously released under pressure. It can be very devastating for its abrasive effect and intense convective and radiative flux. The work focuses mainly on the study of the effectiveness of the phenolic syntactic foam through the analysis of the relationship microstructure-propriety. The manufacturing process requirements imposed to control the elaboration via a good understanding of the reactivity of the resin, especially in relation to various physical transformations (gelation, vitrification) that take place during the curing mechanisms. That involves optimizing the proportions of the various active compounds and additives depending on the working conditions in order to achieve optimal properties of the final material. The effectiveness of this final material under normal conditions of use was determined by a complete testing phase on its mechanical, thermal and thermomechanical properties. Fire tests were also conducted to investigate the material burning behavior to ensure its protective properties under a jet flame impact. Finally, a large-scale instrumented test, reproducing in real conditions a propane gas leak at high pressure, was developed to evaluate the resistance to a jet fire of a complete industrial prototype. In parallel, a simplified numerical model was also proposed to simulate the impact of such a fire.

Les matériaux absorbants ont une efficacité très faible aux basses fréquences (<500Hz). Les mousses dites adaptatives ont été développées pour combler ce manque d'efficacité. Une mousse adaptative est la réunion d'un matériau absorbant et d'un actionneur commandé par un système de contrôle actif. L'objectif de cette thèse est de mener une étude numérique et expérimentale approfondie du concept de mousse adaptative et d'en dégager les mécanismes physiques et les limitations technologiques pour le contrôle de l'absorption acoustique. Le matériau absorbant est ici une mousse de mélamine et l'actionneur est un film piézoélectrique de PVDF. Le contrôle actif de l'absorption acoustique est réalisé en incidence normale avec l'hypothèse d'onde plane sur la plage de fréquence [0-1500Hz]. Les résultats font apparaître la possibilité d'absorber une pression incidente de 1Pa à 100Hz avec 100V et un bruit large bande de 94dB avec une centaine de Vrms à partir de 250Hz. Ces résultats ont été obtenus avec un prototype de mousse adaptative ayant une épaisseur moyenne de 4cm. Un frein important au contrôle large bande provient du fort niveau de distorsion des prototypes dans le bas (<500Hz) et le haut (<1500Hz) du spectre de fréquences. Un modèle éléments finis 3D couplant les domaines poroélastiques, acoustiques, élastiques et piézoélectriques a été proposé et validé expérimentalement. L'utilisation de ce modèle, complété par une étude analytique, a permis de mettre en lumière le mode d'action et les mécanismes de dissipation dans la mousse adaptative.

L'objectif de ces travaux de thèse est double. Il consiste, dans un premier temps, à étudier la microstructure des mousses de nickel ainsi que les mécanismes locaux de déformation et de rupture, puis, dans un second temps, à proposer une modélisation du comportement mécanique global en traction des mousses. Des essais mécaniques in-situ sous MEB ou en tomographie aux rayons X ont été réalisés. Ces essais montrent que les mécanismes de déformation en traction diffèrent de ceux observés en compression. La mousse se déforme en traction par réalignement et étirement des brins tandis qu'une flexion suivie d'un flambement des brins s'opèrent en compression. De plus, une forte localisation de la déformation dans les zones moins denses de la mousse est visualisée au cours d'un essai de compression. L'étude des mécanismes de rupture en traction fait aussi apparaître que la fissuration des mousses, majoritairement transgranulaire, intervient préférentiel-lement aux nœuds. Sa propagation s'effectue cellule par cellule et la zone endommagée possède une largeur d'environ cinq cellules. A partir des essais de tomographie aux rayons X, l'architecture initiale de la mousse ainsi que son évolution au cours du chargement ont été reconstruites. L'analyse de la morphologie tridimensionnelle de la mousse montre qu'un tiers des cellules est constitué de dodécahèdres et que 57% des faces des cellules sont pentagonales. L'influence du procédé de fabrication de la mousse est de deuxième importance par rapport à celui de la mousse précurseur en polyuréthanne. Les cellules sont allongées et orientées suivant la direction normale de la mousse. Cette anisotropie géométrique explique, au moyen d'un modèle analytique simple, l'anisotropie élastique observée en traction. La forme de la cellule la plus répandue a aussi été identifiée. Il s'agit d'un dodécahèdre, composé de deux quadrilatères, de huit pentagones et de deux hexagones. Pour modéliser le comportement mécanique des mousses en traction, deux voies ont été envisagées. La première consiste à décrire la mousse par un réseau de poutres se déformant uniquement par flexion. Le comportement uniaxial des mousses est alors simulé en fonction de la densité et de l'anisotropie géométrique. Le modèle montre que l'arrivée et la propagation du front plastique dans la poutre ne suffisent pas à expliquer la non linéarité du comportement macroscopique observée expérimentalement. A partir des lois de comportement des matériaux constitutifs des brins de la mousse, le modèle est aussi capable de prévoir le comportement uniaxial global de mousses multiphasées. L'application du modèle à deux phases au cas des mousses de nickel oxydées prouve que le comportement plus rigide des mousses oxydées peut être prédit en fonction de leur degré d'oxydation en tenant compte, toutefois, de la rupture de la couche d'oxyde. La deuxième approche, plus phénoménologique, met en œuvre une vision continue de la mousse. La mousse est alors assimilée à un milieu homogène équivalent. Des essais mécaniques, mesurant simultanément les déformations instantanées dans les trois directions principales de la mousse, ont été développés pour identifier les paramètres du modèle. Le modèle multiaxial est alors testé autour d'un trou macroscopique réalisé dans une plaque de mousse, puis validé par comparaison avec les champs de déformation issus d'essais photomécaniques. Ces essais photomécaniques mettent en exergue des hétérogé-néités de déformation non expliquées ainsi qu'un effet d'échelle dû à la taille critique d'un trou dans un milieu poreux. Le modèle classique, inapte à prévoir cet effet de taille, est alors étendu vers la mécanique des milieux continus généralisés. En introduisant une seule variable interne supplémentaire, le modèle micromorphe choisi est capable de rendre compte de l'effet d'échelle observé expérimentalement. De plus, ce modèle permet aussi de donner une bonne estimation de la largeur de la zone fissurée et de la ductilité des mousses en présence de fissures

Cette thèse s'est focalisée sur un matériau cellulaire métallique modèle, dans le but de fournir à la fois un matériau candidat et des outils de conception d'un revêtement acoustique pour les tuyères de turbomachines. Le problème d'absorption acoustique a conduit à discuter une modélisation analytique descriptive disponible dans la littérature, puis à introduire une technique numérique permettant de prédire les propriétés acoustiques d'un matériau poreux. Pour répondre au besoin industriel de tenue structurale, les propriétés élastiques du matériau ont été calculées numériquement, et l'on a proposé une approche numérique de la microplasticité. Enfin, les outils numériques ainsi réalisés ont été utilisés dans un problème simplifié de conception et d'optimisation de revêtement acoustique.

Dans la première partie de cette thèse nous étudions la propagation du son dans les mousses. Nos expériences montrent que la vitesse et l'absorption du son varient lors du vieillissement des mousses en raison de l'évolution de leur structure. Pour expliquer la variation de vitesse nous montrons qu'il faut prendre en compte l'élasticité du squelette liquide. Nous montrons également que l'atténuation du son est très importante et qu'elle est dominée par la dissipation thermique aux interfaces gaz-liquide. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons à l'importance relative des non-linéarités acoustiques aux interfaces par rapport à celles engendrées en volume. Nous étudions pour cela la diffusion d'une onde acoustique par une surface oscillante et caractérisons deux régimes: l'un où le spectre de l'onde diffusée résulte principalement de l'effet Doppler à l'interface, et l'autre où les non-linéarités de volume sont dominantes. Nous montrons également qu'il est possible d'utiliser le décalage Doppler pour mesurer avec précision l'amplitude d'oscillation d'un diffuseur. La dernière partie de ce travail concerne l'étude des non-linéarités acoustiques de volume dans CO2 au voisinage du point critique (PC). Dans une première série d'expériences, nous mettons en évidence leur augmentation au voisinage du PC à l'aide de deux techniques différentes: la résonance non-linéaire d'un mode de cavité et le mélange non-linéaire de deux ondes de haute fréquence. Nous présentons ensuite une étude expérimentale de la diffusion du son par le son sous un angle non-nul, qui nous permet de montrer que le paramètre non-linéaire acoustique de CO2 peut augmenter d'un facteur 100 au voisinage du PC.