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Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L’objectif du travail de thèse a été la mise en place de deux modélisations multi-physiques fondées sur des fondements théoriques communs mais appliquées à deux domaines de la recherche scientifique très différents: i) l’étude du comportement du béton au jeune âge pour la prévention de la fissuration précoce- ii) l’analyse des phénomènes physiques, chimiques et biologiques qui gouvernent la croissance et l’évolution de la tumeur cancéreuse. Le développement d’un outil numérique pour la modélisation du béton au jeune âge est très important pour la conception de structures durables. Le modèle développé pendant la thèse doctorale a été implanté sur le code aux éléments finis Cast3M, puis validé expérimentalement. Il permet de multiples applications: étude des sollicitations et des phénomènes de fissuration au jeune âge, gradients thermiques et hydriques, prédiction du retrait endogène et de dessiccation, étude de l’inhibition de l’hydratation causée par le séchage, prédiction du fluage et de la redistribution des contraintes associées, étude des réparations. Les équations qui gouvernent le comportement thermo-hydro-chemo-mécanique du béton au jeune âge ont plusieurs analogies formelles avec celles qui sont typiquement à la base de la modélisation de la croissance des tumeurs cancéreuses. L'élargissement de l'analyse numérique dans le domaine médical est d’un grand intérêt social en complément de l’intérêt scientifique. Les équations utilisées pour le béton ont été réadaptées, et le modèle mathématique obtenu a été implanté dans Cast3M. Les premiers résultats du modèle ont été satisfaisants et qualitativement très proches des données expérimentales de la littérature dans ce domaine. / The aim of the PhD thesis has been the development of two multi-physics models based on common theoretical basis, but applied to two very different areas: i) the study of the behavior of concrete at early age, essentially for the prevention of early cracking and related issues- ii) the analysis of physical, chemical and biological processes that govern growth and development of cancer. The development of a numerical tool to model concrete at early age is of great importance for the design of durable and sustainable structures. The model has been implemented on the finite element code CAST3M (developed by CEA), also it was validated and nowadays allows multiple applications: study of stresses and cracking phenomena in young concrete, thermal and hygral gradients, autogenous and drying shrinkage, inhibition of hydration caused by drying, creep, stress redistribution, study repairs, etc.. In the fight against cancer, it is clear that the advance of medical strategies based on numerical analysis have a critical scientific interest and can have a great social impact. The equations which govern the thermo-hydro-chemo-mechanical behavior of concrete at early age have may formal analogies with those used to model tumor growth. Hence, these equations have been readapted and a novel mathematical model for tumor growth has been developed. The model was implemented in Cast3M and the first numerical results have been encouraging since very close to the experimental data present in the literature.

Durant plusieurs décennies, au sein de ce qui s'est appelé la « banlieue rouge », Ivry-sur-Seine faisait figure de « bastion » modèle pour le Parti Communiste Français. Le communisme municipal ivryen avait fait de ses cités ouvrières des espaces laboratoires au service d'un creuset d'affiliation sociopolitique particulièrement efficace. Jusqu'au tournant des années 1980, aux cités Maurice Thorez et Youri Gagarine, les résultats électoraux enregistrés par les différents représentants communistes en ont attesté. Avec la remise en cause du modèle de politisation fondé sur l'écosystème industriel, le renouvellement des générations pose avec acuité la question des conditions de reproduction d'une affiliation sociopolitique favorable aux représentants communistes. Une approche ethnographique sur la longue durée a permis de renseigner cette question. Depuis le milieu des années 1980, la trajectoire sociopolitique contrastée des deux quartiers atteste des ruptures infra-communales touchant ce type de territoire de la banlieue parisienne. Dans le quartier Youri Gagarine, la majorité des anciennes familles ouvrières a été remplacée par les nouveaux milieux populaires essentiellement composés de populations issues de l'immigration. Entretenant une historicité tout à fait différente à l'égard de l'étiquette « communiste(s)», les nouvelles générations participent, parfois activement, d'une contestation de l'ancienne autorité politique locale. À l'inverse, dans le quartier Maurice Thorez, situé au cœur du centre-ville, les descendants des familles ivryennes les plus proches de l'appareil partisan et/ou municipal ont maintenu résidence. Dans ce quartier, autour d'une endocratie politique locale, se maintiennent des liens communautaires fonctionnant de manière relativement indépendante de l'ancien encadrement partisan. Pour de nombreuses familles ivryennes appartenant à la classe moyenne, le maintien d'une certaine autorité communiste facilite leur accompagnement social, politique et électoral des métamorphoses contemporaines du communisme municipal. / For decades, Ivry-sur-Seine was seen as a model Communist stronghold within the Paris ‘Red Belt'. The particular brand of communism practiced by Ivry's municipal government had turned its working-class housing estates into laboratories directed towards the production of a singularly efficient political affiliation system. Until the watershed of the 1980s, electoral results for the various communist representatives in the Maurice Thorez and Yuri Gagarin housing estates seemed to corroborate this. The decline of the politicization model born of industrialization as well as the generation gap have radically undermined the conditions in which a socio-political affiliation system favourable to communist representatives can survive, however. The choice of a long-term ethnographic approach can give us insight into this phenomenon. Since the middle of the 1980s, the contrasting socio-political evolution of the Thorez and Gagarin allotments has testified to the intra-municipal disruption that affects this type of suburban Parisian territory. In the Yuri Gagarin area, the majority of older working-class families have been replaced with a new working-class population essentially stemming from immigration. Often unaware of the rich history of communism in their municipality, these new generations are sometimes actively involved in the challenging of the older local political authority. Downtown, on the contrary, the descendants of the families that were closest to the local party machine have maintained residency in the Maurice Thorez area. Community links have survived around a local political “endocracy” that works relatively independently from the older partisan frame. For many middle-class families living in Ivry, the maintenance of a certain communist authority makes it easier to accept the social, political, and electoral transformations of contemporary municipal communism.

Le broyage est une opération couramment réalisée dans de nombreux secteurs industriels. Malgré son apparente simplicité, le broyage met en jeu des phénomènes de fragmentation complexes dépendant à la fois des propriétés de la matière, des sollicitations mécaniques dans le broyeur, et de la dynamique des poudres au sein de celui-ci. Aujourd'hui l'évolution des technologies de broyage repose essentiellement sur un savoir-faire empirique et de nombreux efforts sont encore à déployer pour améliorer leur efficacité énergétique. Cette optimisation ne pourra être réalisé qu'en s'appuyant sur une connaissance fine des phénomènes mis en jeux à plusieurs échelles (échelle sub-particulaire, échelle de la particule, du lit de poudre et du procédé). L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre en évidence les paramètres clés influençant les mécanismes de comminution et l'efficacité énergétique du broyage. Un modèle numérique de rupture de particules présentant des défauts sous forme de clivage a été mis en œuvre. Il a permis notamment d'analyser l'influence de la distribution spatiale des fissures sur la statistique des seuils de rupture en lien avec les chemins de fissures et la taille des fragments. A l'échelle du procédé, une étude expérimentale, réalisée au sein d'un broyeur de laboratoire, a permis de proposer un modèle énergétique s'inspirant de celui de Rittinger mais tenant compte des phénomènes d'agglomération. Ce modèle a ensuite été généralisé à différentes technologies de broyage à media broyant pour comparer leur efficacité énergétique lors du broyage de matières minérales, végétale ainsi qu'en condition de cobroyage. / Although grinding is a widespread operation in industrial processes, it remains poorly understood. The difficulty to model grinding not only lies in the complexity of the fragmentation, which depends on material properties and loading dynamics, but also on the stress transmission from the grinder to the particles. The development of grinding technologies has led to an empirical know-how, and much more effort is still needed to understand the the mechanisms of the comminution of particles. This objective can be achieved only by increasing knowledge on the phenomena involved at different scales (sub-particle heterogeneities, particle, powder bed and boundary conditions of the process).In this PhD work, we investigate the key parameters influencing comminution mechanisms and the energetic efficiency of grinding. A numerical model of particle breakage including a subparticle distribution of cleavages was developed. This model allowed us to analyze the cracks patterns, fragment sizes and probability distribution of failure. At the scale of the process, an extensive experimental study of comminution was carried out using a laboratory mill. An energy evolution inspired by Rittinger model but taking into account the agglomeration phenomena was proposed. This model was then extended to other grinding technologies to compare the energy efficiency for grinding minerals, vegetal particles and their comilling.

Cette thèse vise à caractériser l’influence d’une phase adsorbée sur les déformations instantanées en milieu microporeux qui se distinguent par la présence de pores de diamètres inférieurs à 2 nanomètres. Les charbons, activés ou naturels, les roches à faibles perméabilités, les argiles et de nombreux biomatériaux rentrent dans cette catégorie. Par la présence d'une grande surface spécifique (surface développée du milieu poreux, de l’ordre de 100 à 1000 m2/g), les matériaux microporeux peuvent piéger, sous forme adsorbée, une grande quantité de molécules de fluide avec des applications dédiées à la récupération d’hydrocarbure, au stockage géologique, à la séparation, la catalyse ou au transport de médicament. Pour ces matériaux microporeux, une déviation de la poromécanique classique, introduite par Biot, est attendue. Dans les plus petits pores, de taille nanométrique, ces molécules de fluide se trouvent fortement confinées et leurs interactions sont modifiées. Cet effet a comme conséquence un gonflement macroscopique du milieu poreux. Le gonflement in situ induit par adsorption dans les charbons naturels a été identifié comme étant la source principale de la chute d’injectivité de CO2 lors de la production assistée de CH4 dans des veines de charbon. Les matériaux poreux naturels et de synthèse sont généralement composés d’une double porosité: la microporosité où le fluide est piégé sous forme adsorbée et une méso ou macroporosité nécessaire pour assurer le transport de fluide vers les nanopores. Le gonflement induit par adsorption de la matrice referme la porosité de transport, réduit la perméabilité globale du système poreux. Ce travail présente un nouveau modèle poromécanique étendu permettant de prédire les gonflements induits par adsorption de gaz en tenant compte de la variation incrémentale de la porosité au cours du gonflement. Ce modèle est tout d’abord développé dans le cas de milieux poreux purement microporeux, homogènes et isotropes, saturés par un fluide en conditions isothermes et réversibles. Le modèle est ensuite étendu au cas d’un milieu poreux présentant une double porosité, c’est à dire une porosité d'adsorption et une porosité de transport. Il présente l’originalité de n’avoir aucun paramètre à identifier au cours du trajet de chargement. Les caractéristiques poromécaniques initiales et les quantités adsorbées sont les uniques paramètres du modèle. Dans cette étude, un développement d'une nouvelle technique expérimentale de mesures simultanées de quantités adsorbées et de déformations induites par adsorption est réalisé. Le nouveau banc d’essai met en jeu une technique manométrique de mesure d’isotherme d’adsorption couplée à une mesure de déformations en plein champ par corrélation d’images numériques. Après une étude complète des incertitudes de mesure, la montage est validé en comparant avec des mesures de quantités adsorbées de CH4 et de CO2 sur un charbon actif de référence obtenues par la technique gravimétrique. Le banc d’essai développé est ensuite utilisé pour tester le nouveau modèle poromécanique sur un charbon actif. Ce matériau présente la particularité de posséder à la fois une microporosité et une macroporosité importantes. Les mesures et les estimations de déformations induites par adsorption sont confrontées. Un très bon accord est obtenu, validant le modèle développé. Une étude d’un charbon naturel issu d’un réservoir naturel est enfin réalisée. L’obtention de cartes de déformation en plein champ permet de visualiser directement l'évolution du réseau de failles naturelles lors de l'adsorption de gaz et d’isoler des zones homogènes entre ces failles où le modèle développé peut s’appliquer. Là encore, une comparaison modèle-expérience présente un bon accord. / This research study aims at characterizing the influence of an adsorbed phase on the instantaneous deformations in microporous media (width pores < 2nm). Activated or natural carbons, tight rocks, clay, cementitious materials and numerous biomaterials such as bones are among these materials. In recent years, a major attention has been paid on these microporous materials because the surface-to-volume ratio (i.e., the specific pore surface) increases with decreasing characteristic pore size. These materials can trap an important quantity of fluid molecules as an adsorbed phase. This is important for applications in petroleum and oil recovery, gas storage, separation. For these microporous materials, a deviation from standard poromechanics, which was introduced by Biot 75 years ago, is expected. In very small pores, the molecules of fluid are confined. Interaction between molecules is modified. This effect, denoted as molecular packing, includes fluid-fluid and fluid-solid interactions and has significant consequences at the macroscale, such as instantaneous swelling. In-situ adsorption-induced coal swelling has been identified as the principal factor leading to a rapid decrease in CO2 injectivity during coal bed methane production enhanced by CO2 injection. Generally, natural and synthesised porous media are composed of a double porosity: the microporosity where the fluid is trapped as an adsorbed phase and a meso or a macro porosity required to ensure the transport of fluids to and from the smaller pores. If adsorption in nanopores induces instantaneous deformations at a higher scale, the matrix swelling may close the transport porosity, reducing the global permeability of the porous system or annihilating the functionality of synthesised materials. The point of view of poromechanic is a mean to understand this problematic. When a porous media is immersed in the gas, the classical poromechanic predicts the shrinkage of the media. This formalism have to extend to take account the adsorption phenomenon. A new poromechanical framework allowing adsorption induced strain predictions by taking into account the incremental variations of porosity upon swelling for pure microporous, isotropic and homogeneous materials saturated by a single fluid in reversible and isothermal conditions was developped. In this study, the model is then extended for double porous media presenting both a microporosity where the fluid is trapped as an adsorbed phase and a transport macroporosity. The porosities are defined by the classification of l'Internationnal Union of Pure and Applied Chemistry. In this study, a new experimental procedure is built for simultaneous measurement of both adsorption and swelling quantities by respectively a manometric technique and a full-field digital image correlation technique. The experimental procedure is applied to test the reliability of the proposed model for a commercial active carbon saturated with pure CH4 and pure CO2. The material has the particularity to present both a high microporosity and a high macroporosity. A good agreement is obtained in term of adsorption induced swelling quantities. Once the model validated, it is used to quantify the decrease of transport macroporosity induced by microporous matrix swelling. The last part is dedicated to the study of a natural carbon extracted from a mine with enhanced coal bed methane recovery potentialities. The material has the particularity to present three different porosities: a microporosity where the gas is trapped, a transport macroporosity and a natural cleat network also participating in the global transport. The obtaining of full-field displacement maps provides insight of the cleat network influence and helps to isolate homogeneous zones where the poromechanical model may be applied and compared to the experimental results. Here again, a good agreement is obtained in term of adsorption-induced swelling quantities.

Dans cette thèse on étudie quelques modèles macroscopiques pour des milieux conducteurs ou élastiques fortement hétérogènes et anisotropes obtenus par homogénéisation. Nous considérons le cas de l’homogénéisation périodique. En particulier pour le système de l’élasticité linéarisée modélisant les petites déformations d’un matériau fibré, nous étudions l’effet de l’anisotropie du matériau sur le modèle macroscopique et nous montrons que sous l’effet conjugué des conditions aux limites et de l’anisotropie des fibres, le système modélisant les déplacements à l’échelle macroscopique fait intervenir des termes non standard. Nous considérons plusieurs scalings et deux situations géométriques : dans la première le rayon des fibres cylindriques est du même ordre de grandeur que la taille de la période du milieu et dans la seconde la rayon est petit devant la période. Les résultats obtenus dans les deux cas, indépendants d’hypothèses de symétrie sur le matériau, permettent de retrouver les résultats déjà connus dans le cas de matériaux isotropes. / In this thesis we study some macroscopic models for drivers or elastic media highly heterogeneous and anisotropic obtained by homogenization. We consider the case of periodic homogenization. In particular the system of linearized elasticity modeling small deformations of a fiber material, we study the effect of material anisotropy on the macroscopic model and show that the combined effect of the boundary conditions and the anisotropy of the fiber system modeling movement at the macroscopic scale involves non-standard terms. We consider several scalings and two geometric situations: in the first radius of cylindrical fibers is of the same order of magnitude as the size of the middle period and in the second the radius is small compared to the period. The results obtained in both cases, independent of symmetry assumptions on the material used to find the results already known in the case of isotropic materials.

Dans les structures confinées, comme les silices mésoporeuses, la mobilité et l'interaction des cations avec les surfaces sont des phénomènes clés. Ils guident les propriétés d'adsorption dont découlent de nombreuses applications, en particulier pour l’extraction et la séparation. Ce travail de thèse en modélisation propose de s'intéresser aux propriétés d'interface, d'équilibre et de transport qui pilotent l'échange ou l'adsorption ionique. Il s’agit de décrire la physico-chimie du processus d’adsorption de cations alcalins à la surface de silices chargée par une approche multiéchelle ayant une base moléculaire. Pour cela une étude de la série des alcalins (Li+, Na+, K+ et Cs+) a été menée. Le cadre théorique est la théorie de Mc Millan Mayer. Celle-ci, fondamentale pour les solutions libres s’est révélée également être une méthode de choix pour les milieux confinés. Le potentiel de force moyenne de McMillan Mayer entre les ions et des sites de surface a pu être calculé par la méthode d'Umbrella Sampling associé à l’algorithme WHAM. Le phénomène qui s’est révélé le plus pertinent correspond à la présence de paires au contact (Contact Ion Pairs - CIP) entre les oxygènes de la surface et les cations, sans molécule d’eau qui les sépare. Ces CIP se traduisent dans les courbes de potentiel par un premier minimum d’intensité supérieure à l’agitation thermique. Pour les petits ions (lithium), ce complexe de surface est particulièrement stable, les constantes d’adsorption et les temps de résidence étant particulièrement élevés, ce qui rend délicat la simulation moléculaire directe de ces phénomènes. Il a été observé une inversion de sélectivité entre les sites silanolates et siloxanes. L'adsorption est différente pour un ion cosmotrope comme Li+ qui doit se déshydrater pour s'adsorber et un ion chaotrope comme Cs+ qui est moins lié au solvant. Les constantes d’adsorption de chaque site de même type ne sont pas toutes égales. L’étude des phénomènes électrocinétiques (électro-osmose et conductivité de surface) a également été menée en comparant les descriptions classiques (modèles de Poisson-Boltzmann, de Smoluchowski, et de Bikerman) aux résultats de dynamique moléculaire. Il est apparu que l'image traditionnelle en plusieurs couches des interfaces (couches de Helmholtz internes et externes, de Stern, de Gouy-Chapman, plan de cisaillement) devait être remplacée par un modèle beaucoup plus simple mais plus efficace. Du point de vue des ions, deux domaines apparaissent : les CIP, globalement fixés à la surface transmettant la force électrique au solide et pas au fluide, et les autres ions, globalement libres, transmettant la force électrique au fluide. Aucune viscosité ou constante diélectrique dépendant de la distance n’a été mise en évidence. Une diminution de la mobilité des ions à proximité de la surface a en revanche été observée. Ce phénomène peut être quantitativement compris comme un effet hydrodynamique du à la présence des surfaces qui gênent le flux en retour du solvant. Ce travail permet ainsi de mieux caractériser l'interface verre chargé-solution pour les applications en science de la séparation. Il a pu montrer comment les simulations moléculaires pouvaient non seulement prédire les paramètres des modèles macroscopiques (constantes d’adsorption, coefficients de transport, etc.) mais surtout modifier ceux-ci pour les rendre en accord avec la description moléculaire. Une telle stratégie pourra par la suite être mise en œuvre sur des systèmes plus complexes, comme des modèles de surfaces greffées. / In confined structures, such as mesoporous silica, the mobility of the cations and the surface/cations interactions are key phenomena. They drive adsorption properties, which control numerous applications, especially for extraction and separation. This modelling work describes equilibrium and transport interface properties that control ion exchange and ionic adsorption. The physical and chemical properties of adsorption processes of alkali cations at the surface of charged silica is studied thanks to a multiscale approach based on a molecular description. The systematic study of alkali serie (Li+, Na+, K+ and Cs+) has been studied to that goal. The theoretical framework is Mc Millan-Mayer theory. The latter, which is known to be of fundamental significance for bulk solutions is found to be also relevant for confined media. The mean force potential of Mc Millan-Mayer between ions and surface sites has been calculated by Umbrella Sampling associated to the WHAM algorithm. The most important phenomenon we identified corresponds to the existence of Contact Ion Pairs (CIP) between the surface oxygen and the cations, without separating solvent molecules. The CIP correspond to the first minima in the potential curves if the associated energy is more than the thermal agitation (kT). For small ions (lithium) this surface complex is especially stable, adsorption constant and residence time being particularly high so that the direct molecular simulations are very difficult. A selectivity inversion has been observed between silanolates and siloxanes. Adsorption is different for kosmotropic ions (as Li+) which has to be dehydrated to be adsorbed and chaotropic ions (as Cs+) for which the solvent bound is weaker. Adsorption constants for sites of the same nature are not equal. The study of the electrokinetic phenomena (electro-osmosis and surface conductivity) has also been performed by comparing the classical descriptions (Poisson-Boltzmann, Smoluchowski, and Bikerman models) to molecular simulations. The traditional picture of the interface with several layers (inner and outer Helmholtz, Stern and Gouy-Chapman layers, shear plane) is found to be replaced by a simpler but more efficient model. For the ions, two domains are obtained: (i) CIPs, firmly bound to the surface that transmit the electrical force to the solid (and not the fluid) (ii) other ions that are globally free that transmit the electric force to the fluid. No space dependent viscosity or dielectric constant have been obtained. On the other hand, a decrease of ion mobility in the vicinity of the surface has been observed. This phenomenon can be quantitatively understood as a hydrodynamic effect that comes from the solid surface, which hinders the backflow of the solvent. This work allows a better characterization of charged glass-solution interfaces for separation science. It shows how molecular simulations can not only predict the parameters of macroscopic models (adsorption constant, transport coefficients), but also modify the latters in order to make them in agreement with molecular descriptions. Such a strategy can be extended to more complex systems, such as models of grafted surfaces.