Ce mémoire présente mes recherches de modélisation appliquée à la valorisation matière et au stockage de déchets industriels et radioactifs. Le dénominateur commun consiste au couplage avec le code HYTEC des réactions chimiques et des processus hydrodynamiques dans l'optique de la prédiction de la durabilité des géomatériaux soumis aux aléas de leur environnement industriel ou naturel et, réciproquement, du relargage de polluants et leur migration dans les sols et les aquifères. Travaux de recherche publiés Dans une première partie orientée numérique, une validation de HYTEC par intercomparaison de codes est développée autour de la dissolution oxydative de UO2 et de la migration d'uranium en subsurface. Les possibilités de numérisation des tests de lixiviation au laboratoire sont également discutées. Différentes recherches découlant de l'application de HYTEC sont ensuite présentées en détails. L'évolution de l'interface ciment/argile est modélisée dans le cadre d'études de performance des barrières d'un stockage de déchets radioactifs et de l'analogue anthropique du tunnel de Tournemire ; ce qui permet une hiérarchisation des processus physico-chimiques en jeu. Les processus physico-chimiques de tests d'altération d'éprouvettes de pâtes de ciment par des champignons sont analysés en mettant l'accent sur l'hydrolyse et la complexation des acides carboxyliques d'origine biologique. La modélisation des termes-sources et des cinétiques de vieillissement visant à décrire la libération des polluants est discutée en prenant l'exemple de l'altération des pastilles de combustibles nucléaires usés en conditions de stockage par dissolution radiolytique, effet inhibiteur des produits et décroissance radioactive d'une part, et l'exemple de l'effet de la fracturation sur le confinement des déchets stabilisés en décharge d'autre part. Les recherches associées à la valorisation routière de laitiers d'aciérie et de mâchefers d'incinération d'ordures ménagères (MIOM) clôt ce mémoire. Un test de lixiviation est simulé dans le premier cas. Le second cas consiste en l'évolution de la chimie des lixiviats de deux routes pilotes construites en MIOM, avec un retour d'expérience inédit en terme de durée (10 ans). Perspectives de recherche Dans le contexte du système multi-barrières d'un stockage de déchets radioactifs, une perspective immédiate est la modélisation des transitoires, notamment l'effet d'un gradient thermique (T) et de la phase de resaturation en eau (H) sur les interactions chimiques (C). Des expériences en cellules de diffusion comprenant de la bentonite Febex compactée, du fer métal (interactions fer/argile) ou du béton (interactions ciment/argile) sont en cours de modélisation. Une autre perspective est la modélisation des effets d'environnement sur les matrices de déchets vitrifiés en privilégiant le modèle mécanistique GRAAL du CEA basé sur l'interphase réactive passivante. Dans le cadre de la modélisation de la biodégradation des géomatériaux, les effets de différents types d'acides biogéniques sur des ciments CEM-I et CEM V sont à l'étude de même que la réactivité fer-argile catalysée par des bactéries sulfato et ferri-réductrices. HYTEC est également en cours d'application pour mieux caractériser les mécanismes chimiques mis en jeu lors des traitements des sols à la chaux dans le contexte de la durabilité des propriétés géotechniques.

Les normes en vigueur de la caractérisation environnementale des déchets s'appuient sur l'analyse de granulats ou réduits en poudre. La modification de propriétés du matériau risque de fausser le relargage d'éléments polluants. L'objectif principal de ce travail de thèse est de mettre au point une méthodologie de lixiviation sur matériau monolithique.Des formulations cimentaires de type mortier ou sous-couche routière incorporant des sédiments traités par le procédé NOVOSOL® (STN) ont été réalisées. Leur caractérisation montre l'augmentation de la porosité et la surface lors de l'ajout de STN. Les caractéristiques mécaniques sont proches de celles des matériaux de type routier.Une longue phase de mise au point a permis de concevoir la cellule d'essai et le protocole permettant de tester des matériaux monolithiques en percolation à débit contrôlé. Un protocole de traçage couplé à une modélisation par un logiciel de transport permet de déterminer les caractéristiques hydrodynamiques des matériaux durant percolation.Les résultats d'essais mettent en évidence la bonne stabilité des métaux lourds contenus dans les STN comparés aux métaux apportés par le liant cimentaire. Ainsi, pour certains métaux, l'introduction de STN tend à diminuer les quantités relarguées, pour d'autres la teneur en polluant des percolats soit stable, soit en augmentation. Même si la complexité des phénomènes mis en jeu nous amène à considérer les données avec précaution, certains résultats tendent à montrer l'existence d'un lien entre surface de contact et relargage. La comparaison des résultats obtenus en laboratoire et des mesures réalisés in situ atteste de la représentativité du test mis au point

Les revêtements d'étain sont couramment utilisés en connectique automobile pour des utilisations peu sévères en température. Actuellement il n'existe pas de consensus sur la température limite d'utilisation des revêtements étamés. L'objectif de cette étude est d'étudier le vieillissement thermique des systèmes cuivre/étain utilisés en connectique, et d'évaluer leur durée de vie en fonctionnement, c'est-à-dire sous un courant moyen (produisant de l'effet Joule) et en régime vibratoire (fretting corrosion). L'interdiffusion cuivre/étain mène à la formation de phases intermétalliques de type Cu6Sn5 et Cu3Sn. La cinétique de croissance des intermétalliques est étudiée en fonction de la nature du revêtement d'étain, de la présence ou non d'une sous-couche de nickel (menant à la formation de l'intermétallique Ni3Sn4) et des types de substrats cuivreux différant par les éléments d'alliages. Le coefficient de croissance parabolique mesuré dans chaque système substrat/revêtement permet de comparer la rapidité de la croissance en fonction du système étudié. Les intermétalliques possèdent une dureté sensiblement plus élevée que celle de l'étain seul. Des essais d'échauffement par effet Joule et de fretting corrosion sont menés sur des éprouvettes vieillies et non vieillies. L'échauffement par effet Joule est directement lié à la surface de contact : la dureté du revêtement est donc un paramètre déterminant, qui conditionne l'élévation de température au point de contact. Mais l'aire de la surface de contact conductrice dépend également de l'oxydabilité du revêtement, car la présence d'oxyde peut la réduire. Le phénomène est accentué en régime vibratoire : la production d'oxyde est alors accélérée, et la formation de débris oxydés peut mener à l'apparition de microcoupures électriques. Différentes éprouvettes sont testées en fretting-corrosion, avec deux types d'expérience : des essais à débattement variables et des essais en durée de vie. Les essais en débattement variable permettent d'identifier la transition entre le glissement partiel (d'amplitudes faibles, pour lesquelles la durée de vie du contact est considérée comme infinie) et le glissement total (d'amplitudes plus élevées, pour lesquelles la durée de vie du contact est limitée). Les essais en durée de vie permettent de comparer la durabilité des éprouvettes testées. L'observation des traces de fretting permettent l'identification des modes de défaillance. La dégradation des contacts étamés est le fait d'une oxydation et d'une usure conjointes, menant à l'isolation électrique à cause de la présence de débris oxydés. La dégradation des contacts intermétalliques est le fait d'une fragilisation du revêtement, menant à son décollement : le mode de défaillance est alors la production de débris oxydés de cuivre, provoquant une isolation électrique au point de contact.

La liaison aube-disque d'un turboréacteur est soumise en opération à un chargement complexe composé d'une forte pression et d'un mouvement relatif oscillatoire, qui génère un phénomène de fretting-fatigue. L'apparition de celui-ci réduit la résistance en fatigue des structures et engendre des dégradations qui, sous différentes formes (usure, rupture), peuvent conduire à une perte de fonctionnalité. Afin d'assurer la fiabilité des turboréacteurs, il est donc utile d'améliorer l'estimation de la durée de vie sous chargement de fretting.Cette thèse est dédiée à la fois à l'étude de l'amorçage de la première fissure et de sa micropropagation dans le domaine dit "des fissures courtes", c'est-à-dire celles qui sont encore directement influencées par la microstructure locale. Pour remplir la première exigence, on développe un modèle numérique mettant en oeuvre un critère multiaxial de fatigue. Il permet de prédire la position de l'amorçage et le nombre de cycles correspondant, en prenant en compte d'éventuels traitements de surface. Dans un second temps, une étude numérique de la direction et de la cinétique de propagation des fissures est mise en place avec prise en compte de l'influence de la microstructure du matériau, à l'aide d'un modèle de plasticité cristalline qui prend en compte les différentes familles de systèmes de glissement. La vitesse de fissuration diminue à l'approche des joints de grains, ce qui est qualitativement conformes aux observations expérimentales.

Suite à notre constatation qu'il n'existe pas, à ce jour, d'études approfondies portant sur l'activité artistique du sculpteur et performeur canadien André Fournelle, nous avons voulu y contribuer en étudiant neuf interventions de cet artiste contemporain, qui mettent en évidence la valeur d'une activité symbolique singulière. Son travail constitue un exemple incontestable de persistance et d'innovation sur la scène canadienne des arts visuels. Créateur prolifique, ses sculptures monumentales et ses installations éphémères échappent au cadre du marché de l'art « traditionnel ». Malgré l'envergure et l'ampleur de son oeuvre, aucune exposition rétrospective n'a eu lieu à ce jour. Consciente de la complexité de son oeuvre et la dispersion de la documentation le concernant, nous avons décidé de restreindre notre objet d'étude à l'analyse de quelques éléments (formes, matériaux et sites) que l'artiste utilise avec régularité dans ses interventions. Nous nous sommes vue contrainte de procéder à une sélection. Neuf oeuvres -Fires in your cities (1982), Passage, série Grèce (1983), Spirale (1989), Resecare (1990), L'interdit Damoclèse (1992), L'ombre Rouge (1998), Lumière et silence (1999), L'esprit de lieux (2001), Pyrophore (2003) -se sont finalement imposées comme faisant partie d'un projet continuel qui traverse, depuis longtemps, son travail créatif. Le système de la création de ces oeuvres et le mode de leur apparition contribuent largement à dessiner l'univers particulier du sculpteur. Les citations d'autres travaux de l'artiste sont ici nombreuses, car nous croyons utile de soumettre au lecteur les oeuvres mêmes que nous étudions, étant donné qu'elles n'ont jamais été réunies auparavant au sein d'une seule étude. Cette recherche étant basée sur une approche analytique, certains éléments présents dans la démarche artistique de Fournelle y sont analysés sous différents aspects. C'est cette démarche de lecture, au-delà d'une description qui révélera le type de thème que le langage symbolique a pour vocation d'exprimer. En effet, ce mémoire s'appuie sur une importante recherche d'archives personnelles, textes critiques, interviews avec A. Fournelle, et constitue en grande partie, un travail d'interprétation. Notre étude ne prétend être, ni définitive, ni complète. Mais celle-ci a été élaborée d'une manière aussi transparente que possible. Il s'agit par conséquent d'une réflexion préliminaire pour la réalisation de futurs travaux concernant l'activité artistique de ce sculpteur multidisciplinaire. Néanmoins, nous croyons avoir démontré que l'activité symbolique d'André Fournelle s'appuie sur les bases d'un vocabulaire riche et condensé sous des formes symboliques universelles qui émanent d'une subjectivité singulière. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : André Fournelle, Art contemporain, Activité symbolique, Formes, Matériaux et l'esprit des lieux.

Le choix des composites unidirectionnels carbone/époxy a été adopté pour entrer dans la conception des réservoirs de stockage de gaz sous haute pression, carburant plus propre que ceux provenant des produits de raffinerie en terme d'émissions de gaz polluants. Toutefois, l'utilisation des matériaux composites étant récente et malgré l'effort de recherche entrepris, leur tenue à long terme soulève de nombreuses questions tant fondamentales que technologiques. La technique de l'émission acoustique s'est avérée très tôt comme un moyen prometteur de détection des endommagements au sein des matériaux composites. Cette étude se propose d'apporter les moyens théoriques nécessaires pour développer et appliquer une méthode de contrôle et de qualification de réservoirs composites bobinés carbone/époxy par la méthode de l'émission acoustique. A la lumière des techniques d'homogénéisation et des calculs multiéchelles sur composites rendus possibles par l'accroissement de la puissance des calculateurs, et à l'aide de tout ce savoir passé, nous proposons de montrer toute la pertinence d'une technique expérimentale basée sur l'émission acoustique pour réaliser l'expertise en cours d'utilisation d'une structure en composite unidirectionnel. Plus précisément, après avoir établi l'émission acoustique comme moyen expérimental d'expertise et de qualification de réservoirs à gaz haute pression en composite utilisés sur les bus, nous allons valider cette méthode. Pour ce faire, nous allons modéliser les mécanismes à l'origine de l'accumulation de ruptures de fibres à l'échelle des constituants (échelle qui distingue la fibre de la matrice) pour reconstruire la courbe d'émission acoustique des événements (ruptures de fibres) à l'aide d'un calcul multiéchelle effectué sur la structure industrielle. Ensuite, nous proposerons une méthode de contrôle et de qualification. L'objectif industriel visé au final est l'industrialisation de ce protocole permettant de quantifier l'endommagement accumulé au cours de l'utilisation et dès lors de prédire la période acceptable de service du réservoir avant l'arrêt de son utilisation.

La présente étude traite de la durabilité (vieillissement) en milieu humide et de l'endommagement par fissuration de matériaux composites à matrice organique (CMO).<br />La diffusion d'eau dans le matériau (matrice époxy renforcée par des fibres de verre) est tout d'abord analysée expérimentalement par détermination des cinétiques d'absorption sous différentes conditions d'humidité. Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction de la quantité d'eau absorbée sont mises en évidence et quantifiées lors d'essais expérimentaux de traction. Les mécanismes physiques à l'origine de ces modifications sont identifiés. Un mode<br />d'endommagement particulier, la fissuration intralaminaire, ainsi que son couplage avec l'humidité,<br />sont aussi étudiés expérimentalement. Des différences entre évolutions réversibles et irréversibles de propriétés sont mises en évidence et analysées en détail.<br />Un modèle prédictif qui prend en compte les effets d'endommagements d'origine hydrique et/ou mécanique est alors proposé. Un calcul couplé diffusion/mécanique, sur un logiciel de modélisation par éléments finis, permet de déterminer le comportement global du<br />matériau, connaissant le gradient de propriété suivant l'épaisseur. Il est donc possible de suivre en continu au cours du vieillissement l'évolution de rigidité du matériau, pour n'importe quel état de fissuration et d'absorption (i.e. n'importe quel état intermédiaire entre état sec et état saturé en eau). Des essais numériques de cyclages, à la fois de chargement mécanique (charge-décharge) et de vieillissement (absorption-séchage) ont enfin été menés avec succès. Il est ainsi possible de simuler n'importe quelle condition (température, humidité, épaisseur, chargement appliqué) et donner une estimation des propriétés du matériau tout au long de son utilisation.

Ces travaux portent sur le développement d'un matériau virtuel pour la simulation et l'optimisation des matériaux à microstructure hétérogène, en particulier des composites à matrice céramique de nouvelle génération. Pour ce faire une modélisation du fil est mise en place, au travers d'une démarche intégrée qui prend en compte la complexité de la microstructure et de sa variabilité issues du procédé de fabrication. La démarche proposée repose sur deux étapes : i) la construction d'une morphologie synthétique du fil, basée sur l'étude de micrographies et ii) une méthode de simulation multiéchelle inspirée de la méthode des éléments finis généralisée. L'originalité de cette dernière provient de l'utilisation de motifs, sorte de situations physiques ou topologiques élémentaires, pour décrire à la fois la microstructure et la cinématique locale. La démarche est validée et appliquée à diverses sections de fil synthétiques 2D, pour lesquelles le choix des motifs est discuté. L'extension au traitement de tronçon 3D du fil, ainsi qu'à la simulation de la fissuration à l'aide d'une méthode discrète est discutée et des premiers éléments de réponse sont apportés.

La terre crue est un des matériaux les plus utilisés au monde pour bâtir. Chaque terre est un mélange de grains de différentes tailles (cailloux, graviers, sables, silts et argiles) en proportions variées. Les particules les plus fines, qui constituent le liant du matériau, se différencient des autres grains par leur petite taille, à laquelle est associée des propriétés colloïdales lorsqu'elles sont mélangées à l'eau. L'argile, au sens granulométrique (particules inférieures à deux microns), contient généralement un mélange d'argiles, au sens minéralogique (phyllosilicates hydratés), d'oxydes de fer, d'aluminium et de silicium. Pour comprendre ce matériau de construction, la terre est envisagée dans un premier temps comme une matière en grains. La physique des milieux granulaires secs et la physique des milieux granulaires humides sont explorées afin de décrire les comportements physiques de cette matière. Des techniques de construction innovantes, qui découlent de cette compréhension, sont présentées. Dans un deuxième temps, l'argile est envisagée comme une matière colloïdale. Comme beaucoup de systèmes naturels, le liant argileux est un mélange de particules aux propriétés de surface différentes, contenant à la fois des charges permanentes négatives et des charges variables avec le pH et la force ionique. Ces systèmes mixtes sont dits hétérocoagulés. Des pistes de recherche, qui découlent de cette compréhension, sont présentées.

Le développement des détecteurs de rayons X en comptage à base de semiconducteurs est en plein essor depuis une dizaine d'années, et des applications aussi bien dans le domaine médical que dans le domaine du contrôle non destructif sont envisagées. Ces détecteurs permettent en effet de réaliser des mesures à des énergies multiples en une seule acquisition, et ce avec une excellente séparation énergétique. Depuis les années 2008-2009, il semble qu'une véritable course se soit lancée pour le développement de détecteur permettant des mesures multi-énergies sur un nombre toujours plus nombreux de bandes d'énergies. Cependant, à ce jour, parmi l'ensemble des travaux qui ont été réalisés, l'intérêt de réaliser des mesures sur un grand nombre d'énergies n'a pas été démontré pour l'identification de matériaux. Dans le cadre d'une étude en sécurité, nous avons évalué l'intérêt lié à l'utilisation de détecteurs de rayons X en comptage permettant la réalisation de mesures sur plusieurs bandes d'énergies. Le domaine applicatif étudié concerne l'identification de matériaux dans les bagages des voyageurs. Nous avons tout d'abord développé une méthode originale d'identification de matériaux homogènes applicable à tout type de détecteur multi-énergies. Dans un premier temps, nous avons étudié, en simulation, l'évolution des performances d'identification de matériaux avec l'augmentation du nombre de bandes d'énergies de comptage. Un processus d'optimisation a été réalisé dans le but de déterminer, pour certaines configurations, une géométrie optimale des bandes d'énergies de comptage. Dans un second temps, les conséquences résultant de la prise en compte de la fonction de réponse du détecteur ont été quantifiées par la simulation de différents effets détecteurs (partage de charge, résolution en énergie). Une validation expérimentale a enfin pu être effectuée en utilisant un détecteur spectrométrique en comptage. À partir des mesures réalisées avec un tel détecteur, un regroupement des données nous a permis d'évaluer les performances d'identification de détecteurs possédant un nombre de bandes d'énergies de comptage différent. Enfin, nous avons mené une étude préliminaire sur la transposition à la tomographie multi-énergies de la méthode d'identification de matériaux homogènes développée initialement en radiographie. Cette modalité d'imagerie permet alors l'identification de matériaux superposés.