Ce travail de thèse est consacré à l'étude des milieux granulaires humides. On étudie prin- cipalement le cas de faibles teneurs en eau. L'influence du phénomène de capillarité sur la rétention d'eau et sur le comportement mécanique du milieu est analysée. A chaque état d'équilibre, la distribution d'eau dans le milieu granulaire est obtenue en appliquant une succion homogène dans un volume élémentaire représentatif. La méthode multi-échelles utilisée se nourrit d'expérimentations/modélisation à l'échelle des interactions entre les grains, et produit des simulations en éléments discrets du comportement ma- croscopique qui sont comparées aux résultats d'expérimentation. A l'échelle des interactions capillaires, une étude expérimentale du pont liquide pilotée en succion permet la validation d'un modèle basé sur l'approximation toroïdale du profil du pont liquide. Dans le cas d'un essai à succion constante, on note que la distance de rupture des ponts liquides n'obéit plus au critère de Lian valide dans le cas d'un essai de traction à volume constant. A l'échelle macroscopique, les courbes de rétention d'eau simulées sont proches des courbes de rétention d'eau expérimentales réalisées sur des milieux modèles composés de billes de verre. Enfin, le comportement mécanique macroscopique est simulé. On note une fragilisation du matériau en fonction de la succion dans le domaines des faibles teneurs en eau qui s'explique par une diminution de la densité des ponts liquides. La prise en compte d'une rugosité des grains permet une meilleure description de la transition entre un état humide et un état sec. L'analyse des contraintes montre la pertinence du tenseur des contraintes associé aux interactions de traction pour analyser l'évolution de la contrainte à la rupture (compression simple) en fonction de la succion.

L'objectif est de mieux connaître les diverses propriétés (physico-mécaniques, biologiques et chimiques) du bois de Mûrier blanc (Morus alba L.), en tant que matériau éminemment utilisé dans la fabrication de luths Iraniens. La différence de caractéristiques vibratoires de cette espèce a été mesurée en fonction de la présence d'extractibles, mais aussi pour trois traitements artisanaux qui ont été adaptés à l'échelle du laboratoire. Le bois Mûrier blanc est caractérisé par un module spécifique modéré, un amortissement plus bas que prévu et une anisotropie faible entre ses trois axes. Il est précisé que cette espèce ne peut pas être classifiée avec les mêmes normes que les autres bois utilisés pour les instruments classiques Européens. En utilisant les deux extractions indépendantes et successives, il est révélé que l'amortissement est régi par deux types d'extraits, certains l'abaissent et certains l'augmentent. Ces composés ne sont pas tous extractibles par les mêmes solvants. L'immersion de longue durée dans une eau à température ambiante ne modifie pas les propriétés mécaniques de l'espèce, toutefois, elle peut laisser le bois avec des défauts irréversibles. Un court traitement à l'eau chaude (70°C) entraîne l'augmentation de l'amortissement et la diminution du module spécifique. Dans ce dernier cas, des modifications sont presque progressives avec le temps. Le bois de Mûrier blanc semble être " très durable " par rapport à une attaque fongique, même dans des conditions extrêmes. Le délavage dans l'eau n'a pas d'effets sur la résistance de cette espèce contre basidiomycètes. Ce bois est classé " moyennement durable " contre l'attaque des termites et devient sensible après le délavage. Ses extractibles ont donc des effets toxique sur les termites. Les phénols, acides gras, stérols, hydrocarbures supérieurs, et composés aromatiques sont les composés présents dans les extraits de cette espèce. Le résorcinol, composé prédominant trouvé dans l'espèce, a été récemment rapporté comme la cause de plusieurs problèmes de santé, ce qui est aujourd'hui observé chez les artisans Iraniens.

La loupe de thuya joue un rôle économique et social important pour le secteur artisanal marocain. Ces dernières décennies, pour répondre à une forte demande, le bois de la loupe de thuya a été surexploité entraînant une dégradation importante des forêts de thuya marocaines. Une réponse possible à cette problématique, à court terme, consiste à limiter les déchets d'usinage. Cette voie d'investigation passe par la caractérisation du matériau et notamment l'identification de son réseau de symétries matérielles. L'objectif de ce travail est donc de caractériser le bois de la loupe de thuya (Tetraclinis articulata (vahl) Masters) dont le comportement mécanique n'a pas été étudié jusqu'à présent. Pour atteindre cet objectif, on passe tout d'abord par une caractérisation multi-échelle. A l'échelle globale, la caractérisation est réalisée en étudiant la structure interne d'une loupe entière par tomographie X, et plus particulièrement la distribution des excroissances foncées caractéristiques de la loupe. Cette étude macroscopique est complétée, à l'échelle microscopique, par une analyse comparative de coupes anatomiques de bois de thuya et de loupe. À l'échelle du matériau, le bois de la loupe est caractérisé en étudiant la dispersion de sa rigidité par une méthode ultrasonore par contact direct. L'étude plus approfondie du comportement mécanique a nécessité la mise au point d'une méthode ultrasonore par contact direct sur des échantillons sphériques afin d'identifier les symétries matérielles d'un matériau. Cette méthode, appliquée au bois de la loupe de thuya, montre que la loupe a un comportement isotrope transverse. Par conséquent, il ne présente pas les mêmes symétries naturelles que le bois présent dans le tronc du même arbre. Cette méthode ne permet pas d'obtenir la matrice de rigidité complète : dans le cas d'un matériau orthotrope, elle donne accès aux 3 termes diagonaux de la matrice et à 3 combinaisons linéaires des 6 autres termes. Pour identifier complètement la matrice de rigidité, nous proposons, en perspective, l'utilisation de la Spectroscopie Ultrasonore Résonante (RUS). Le couplage de la méthode ultrasonore par contact direct développée et de la méthode RUS permettra de déterminer les symétries matérielles et la matrice de rigidité sur le même échantillon. Enfin, des coupes obtenues par tomographie X peuvent être superposées aux graphes de rigidité pour analyser la relation entre la structure interne et le comportement élastique de la loupe de thuya.

Ce document reprend la structure de mon dossier de candidature au CNRS avec une réflexion sur le contexte et les enjeux de mes recherches suivi d'un aperçu rapide de mes activités de recherche. Ensuite, j'ai voulu montrer l'enchainement logique des travaux qui nous ont conduit à résoudre l'énigme du retrait paradoxal du bois de tension. Cette question qui depuis le début, il y a 10 ans, est présente dans mes recherches trouve aujourd'hui des éléments de réponse. Enfin, mon curriculum vitae donne une idée de ma production scientifique, de mes activités de formation et d'encadrement, de mon implication dans la vie de la recherche localement, au niveau national et international.

Le bois en tant que matériau présente des propriétés effectives exceptionnelles mais son origine biologique entraine un manque de stabilité physico-mécanique et biochimique ainsi qu'une grande variabilité d'organisation de ses éléments constitutifs à plusieurs échelles (cerne annuel, tissus ligneux, cellule, paroi cellulaire, matière ligno-cellulosique, macromolécules) qui limitent son utilisation. Nous avons, dans le cadre de cette thèse, utilisé la microscopie à force atomique en tant qu'outil de caractérisation des propriétés mécaniques. Le but était de quantifier les propriétés viscoélestiques de couche de la paroi cellulaire de bois. Les travaux ont porté sur la mise au point de protocoles expérimentaux visant à l'amélioration de la qualité des échantillons de bois, à la calibration de la raideur et du rayon de pointe des microleviers utilisés en AFM et de sa réponse lors de l'utilisation d'un mode AFM particulier: le mode contact résonnant. Les résultats obtenus se situent dans la même gamme que les valeurs issues de la littérature, et laissent entrevoir des développements futurs pouvant apporter des réponses qu'il ne semble pas possible d'atteindre avec les autres méthodes disponibles à l'heure actuelle.

L'objectif de cette étude est de développer un modèle de comportement adapté pour reproduire le comportement mécanique de l'élastomère avec l'évolution de la température. Pour réaliser cette étude, un travail expérimental préliminaire est effectué pour mettre en évidence les différents phénomènes mécaniques présents pour le matériau avec l'évolution de la température. Le matériau étudié est un élastomère synthétique fluoro-carboné (FKM), le Viton. Cet élastomère possède d'excellentes performances aux hautes températures et aux agressions chimiques. Ses propriétés sont utilisées pour diverses applications comme l'étanchéité, l'amortissement, l'isolation, etc. La caractérisation mécanique du matériau est réalisée à l'aide des essais classiques de traction et compression ainsi que des essais de relaxation sur une plage de température allant de −40◦C à 100◦C. Les essais de chargement cyclique mettent en évidence une présence non négligeable de l'hyperélasticité pour les élastomères. Les essais de relaxation nous permettent de décrire la viscosité du matériau. De plus, des essais de chargement interrompus par des relaxations ont aussi été effectués, pour différents taux de déformation avec des temps de relaxations de 900s. Ils font apparaître un équilibre hystérétique démontrant la présence de l'hystérésis pour notre matériau. Dans cette étude, nous avons fait le choix de ne considérer que la plage de température de −8◦C à 100◦C pour reproduire correctement le comportement du matériau. Le modèle utilisé est une loi de comportement phénoménologique basée sur une décomposition additive des puissances. Le modèle est constitué de trois contributions de contrainte : l'hyperélasticité, la viscosité et l'hystérésis. Ce modèle sera nommé Hyperélasto-Visco-Hystérésis (HVH) où la contribution hyperélastique est prise en compte à l'aide de potentiel phénoménologique de Hart-Smith. La viscosité est décrite à l'aide du modèle de Maxwell généralisé et la contribution hystérétique est prise en compte à l'aide d'un modèle original. Au cours de cette étude nous considérons simplement le premier cycle de chargement de notre matériau. Une méthode d'identification a été mise en place pour permettre de mieux prendre en compte les différentes contributions du modèle. Les identifications des paramètres matériau sont réalisées pour des isothermes comprises dans la plage de température étudiée. La validation du modèle sera dans un premier temps testé à température ambiante sur un cas de chargement industriel d'un joint en relaxation. Pour valider le modèle en fonction de la température nous simulons différents cas de chargement en isotherme. Ensuite, la simulation d'un essai de relaxation en compression subissant des cycles de températures est réalisée pour confronter le modèle à un calcul dépendant de la température.

Définition de la succion au niveau thermodynamique; description des procédures de préparation des échantillons, des essais et de l'appareillage nécessaire; étude microstructurale (porosimétrie, perméabilité); comportement mécanique (succion, effondrement, cisaillement); détermination des surfaces de charge et de l'écoulement plastique; réflexion sur la modélisation.

La première partie de ce document décrit mon parcours professionnel, la seconde synthétise les activités de recherche menées depuis 2005. Ces activités de recherche portent sur l'étude du comportement des matériaux et sur la caractérisation des interactions " Produit - Procédé - Environnement - Matériau ". Lors de la mise en œuvre ou de l'utilisation d'un produit, des couplages apparaissent entre les sollicitations (thermomécaniques ou d'environnement) et la microstructure, qui influencent fortement la réponse immédiate ou à long terme du matériau et donc de la structure. L'objectif est de pouvoir caractériser ces couplages et de proposer et valider des lois de comportement et des critères de ruine, y compris pour des sollicitations complexes ou de fatigue. L'accent est mis en particulier sur l'accélération des démarches de caractérisation, qu'il s'agisse de fatigue ou d'effets d'environnement. Ces démarches s'appliquent de manière moyenne sur le volume considéré mais permettent également d'investiguer les différentes échelles impliquées, des mécanismes physiques à la réponse de la structure, au travers de la caractérisation des gradients de propriétés microstructurales et thermomécaniques.

Modéliser la localisation de la déformation dans les géomatériaux de manière objective nécessite l'utilisation de méthodes capables de régulariser le problème aux limites en introduisant une longueur caractéristique. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser les milieux à microstructures de types second gradient. Une question, se pose alors quant à l'identification des paramètres constitutifs qui interviennent dans la formulation de ces milieux. L'objectif de cette thèse est de mettre en place une méthode d'identification d'une loi de comportement enrichie de type second gradient. Une partie de l'identification a été réalisée à partir d'essais homogènes, cependant l'identification complète nécessite de considérer des modes de déformation à forts gradients, comme cela est le cas en présence d'une localisation de la déformation. La procédure d'identification développée s'appuie sur des résultats expérimentaux d'essais mécaniques sur le grès de Vosges conduits à deux confinements différents (20 et 30 MPa), pour lesquels le mode de déformation des échantillons a été caractérisé à l'aide de mesures de champs cinématiques (corrélation d'image), y compris en régime localisé. Un certain nombre d'observables ont été extraits de ces essais, qui ont servi à établir la comparaison entre calculs numériques et observations expérimentales. Une étude de sensibilité exhaustive a été menée pour établir une matrice de sensibilité utile par la suite pour l'optimisation des observables. Afin de calculer cette matrice, deux études de sensibilité sont effectuées. Ces études consistent à évaluer l'influence de la variation de chaque paramètre constitutif sur les données sélectionnées. La première étude de sensibilité porte sur la partie homogène des essais, elle permet l'optimisation d'un certain nombre de paramètres qui jouent un rôle uniquement dans cette partie. La deuxième étude concerne le régime de déformation localisé. Celle-ci permet le calcul de la matrice de sensibilité. Grâce à cette matrice, nous avons réalisé une optimisation des observables. Ainsi, chaque observable pourra être optimisé indépendamment des autres. A l'issue de cette optimisation un jeu de paramètre est proposé. Il permet de reproduire de manière fiable, les essais expérimentaux.

L'électro-osmose, qui consiste à déplacer les constituants de la phase liquide dans un milieu poreux par l'application d'un champ électrique, intervient dans de nombreux domaines : géotechnique, dépollution des sols, biotechnologies... La partie I de ce mémoire propose une modélisation de l'électro-osmose en milieu poreux déformable. Elle conduit à l'écriture des dissipations et fait apparaître la contribution des phénomènes de transfert et de la mécanique à la production d'entropie. La partie II est consacrée à l'écriture d'une relation générale de transfert d'un électrolyte. Un banc expérimental d'électro-osmose a été réalisé pour examiner les couplages entre phénomènes hydraulique et électrique. Le matériau d'étude est le gel d'Agar, un gel diphasique souvent utilisé comme milieu modèle de tissus biologiques. La partie III concerne la prise en compte de la déformation du squelette solide et son couplage avec le transfert électro-osmotique. Certains aspects sont validés par des essais de consolidation oedométrique du gel d'Agar soumis à des sollicitations mécanique et électrique.