Over recent years, organizations such as the Federal Highway Administration and Departments of Transportation across the United States have showed interest in automating highway construction processes. The addition of e-Construction and other advanced technologies can significantly improve the efficiency and safety of highway paving operations, specifically paving inspections. Activities such as collecting load tickets, tracking pavement lay-down temperatures, and monitoring roller movement are antiquated practices that DOT inspectors perform during paving operations. E-Ticketing, Paver Mounted Thermal Profiling, and Intelligent Compaction were proposed to automate paving inspections and were recently tested in two resurfacing pilot projects in the state of Kentucky. Findings from the projects indicate that the three technologies display great potential in improving safety and efficiency of paving inspections. The contribution of this thesis is to document the research effort, evaluate the effectiveness of the technologies compared to the traditional practices, and discuss the lessons learned for industry practitioners.

Cette thèse, de nature expérimentale, porte sur l'étude des écoulements de matériaux mous vitreux. Laissés au repos, ces matériaux présentent, à l'instar des verres, une dynamique extrêmement lente ou éventuellement bloquée suivant leur sensibilité à l'agitation thermique; au-delà d'un seuil, ces matériaux s'écoulent comme des liquides. Autour de trois expériences simples, nous nous proposons d'étudier d'une part l'influence d'un bruit modéré, i.e. d'une perturbation de faible amplitude, sur de tels systèmes. D'autre part, nous voulons montrer que les fluctuations d'observables simples (force, vitesse, position, etc.) générées par l'écoulement contiennent de l'information sur le système. Ainsi, dans une première expérience, nous étudions la mise en mouvement délicate d'un empilement de grains (système athermique) sous l'effet de variations de température contrôlées et de faible amplitude ( amplitude <40°C). Nous montrons notamment qu'un tel bruit thermique est suffisant pour provoquer le fluage de l'empilement qui présente alors des propriétés classiques des systèmes vitreux, comme du vieillissement. De plus, nous étudions quantitativement le rôle de l'amplitude des cycles de température, et plus qualitativement celui de leur fréquence. Nous mettons enfin en évidence les perspectives particulièrement prometteuses de cette méthode de sollicitation douce. <br />Dans une deuxième expérience, nous étudions un milieu granulaire immergé dans la limite des écoulements quasi-statiques. Cet écoulement est induit par cisaillement, à contrainte normale imposée, à l'aide d'un patin. Nous montrons tout d'abord que le nombre inertiel I, paramètre sans dimension introduit récemment pour décrire les écoulements denses, n'est plus tout-à-fait pertinent pour décrire la rhéologie de ces écoulements (I<10^-2). Nous soulignons notamment que le coefficient de friction effectif du milieu granulaire immergé ne dépend, dans la limite $I = 0$, ni de la taille des grains, ni de la viscosité du fluide. En revanche, celui-ci dépend des propriétés de surface des grains, de leur polydispersité et de la géométrie de l'écoulement. Ceci nous conduit à étudier la dilatance de l'empilement immergé en fonction des différents paramètres de l'expérience (taille des grains, viscosité du fluide, vitesse du patin, etc.) et à proposer une description simple permettant de rendre compte des dépendances rencontrées. Nous montrons ensuite que les fluctuations de force et d'altitude du patin, contrairement aux valeurs moyennes de ces mêmes quantités, sont les bonnes observables à même de décrire l'écoulement. Enfin, une dernière expérience nous permet de faire le lien entre la rhéologie non-linéaire d'un système thermique et les fluctuations de l'écoulement. L'expérience consiste à injecter de l'air à la base d'une colonne d'un fluide non-newtonien. Nous montrons que le gaz peut être relâche au travers du fluide soit sous forme de bulles, soit sous forme d'un canal connectant la buse émettrice de gaz au bas de la colonne à la surface libre du fluide. On observe que dans certaines conditions, le système oscille spontanément entre ces deux états. L'intermittence entre ces deux modes de dégazage est relié à la rhéologie non-linéaire du fluide et nous prenons le temps d'une mise en perspective de ces résultats dans le contexte de la géophysique.

L'eau est presente dans le manteau terrestre. Elle peut avoir des effets importants sur la plupart des processus qui s'y deroulent. La distribution a grande echelle de l'eau (sous forme d'ions hydrogene) est approchee a l'aide de modeles numeriques. La prise en compte de la convection mantellique montre que la diffusion de l'eau vers les zones de forte solubilite en eau (la zone de transition) n'est pas assez rapide pour empecher le melange convectif. On predit donc la presence d'une phase fluide dans le manteau inferieur ou la solubilite de l'eau dissoute est tres faible. La phase fluide percole vers le haut sous les effets de la poussee d'Archimede et permet l'accumulation d'eau au sommet du manteau inferieur a la verticale des zones de subduction en depit du mouvement convectif descendant. Contrairement a la diffusion de l'eau dissoute dans les mineraux, la percolation d'une phase fluide semble etre un moyen possible de concentrer de l'eau dans le manteau terrestre. Ce reservoir serait localise au niveau de la frontiere entre la zone de transition et le manteau inferieur (Changement de phase spinelle-postspinelle) au voisinage des zones de subduction.

Ce travail a pour objectif principal d'étudier l'influence des paramètres des procédés de compaction à froid et de frittage sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces en polytetrafluoréthylène (PTFE) ainsi fabriquées. Comme d'autres polymères à haute masse moléculaire, bien que faisant partie des polymères thermoplastiques, le PTFE présente une viscosité à l'état fondu trop élevée pour permettre sa mise en oeuvre par moulage par injection, ce qui conduit au procédé de fabrication par compaction à froid et frittage. La phase de frittage correspond à un traitement thermique au delà de la température de fusion qui induit des déformations finies, en général anisotropes et fonction de l'histoire du chargement mécanique subi par le matériau au cours de l'étape préalable de compaction à froid. Afin de développer des modèles de comportement thermomécaniques utilisables lors de la simulation numérique de l'ensemble du procédé de fabrication, différents essais ont été réalisés pour étudier les différents mécanismes responsables des évolutions microstructurales et des déformations lors de la compaction et du frittage. L'étude expérimentale du procédé de compaction a été menée grâce à des essais de compaction uniaxiale (oedométriques), des essais de compaction hydrostatique réalisés dans une presse hydraulique isostatique et des essais triaxiaux réalisés grâce à un dispositif original installé dans une machine d'essais électrohydraulique à six vérins. Ces essais ont permis d'identifier un modèle de comportement élasto-plastique de type "Drucker-Prager/cap" disponible dans la bibliothèque de lois de comportement du programme de calcul par éléments finis industriel ABAQUS™, ce qui a permis de simuler numériquement quelques cas simples. L'étude expérimentale du procédé de frittage a été menée grâce à la réalisation d'essais de thermogravimétrie (ATG), calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et d'essais de dilatométrie réalisés sur des éprouvettes isotropes ou anisotropes avec différentes valeurs de la porosité. Ces essais ont permis de décomposer la déformation de frittage en une déformation thermique réversible, une déformation liée au changement de phase cristalline en phase amorphe -ou vice versa-, une déformation liée à la refermeture des pores et enfin une déformation dite de recouvrance. Cette étude a été réalisée sur deux poudres, de PTFE pur ou de PTFE chargé par environ 5wt% d'Ekonol™ et 5wt% de fibres de carbone, respectivement commercialisées sous le nom de Teflon™ 6407 et de Teflon™ 6507.

<p>A uniaxial High-Velocity Compaction (HVC) process for polymer powder using a cylindrical, hardened steel die and a new technique with relaxation assist was tested with a focus on the compactibility characteristics and surface morphology of the compacted materials using various heights of relaxation assist device with different compacting profiles.</p><p>Relaxation assist device was presented as a new technique to reduce springback, pull-out phenomenon and to improve the compaction process.</p><p>The basic phenomena associated with HVC are explained and the general energy principle is introduced to explain pull-out phenomenon during the decompacting stage. In this study, polyamide-11 powders with different particle size distributions have been compacted with the application of different compaction profiles, e.g. different energies and velocities. It was found that the relative green density is influenced more by the pre-compacting (primary compaction step) than by the post-compacting (secondary compaction step).</p><p>Experimental results for different compaction profiles were presented showing the effect of varying the opposite velocity during the decompacting stage and how to improve the homogeneous densification between the upper and lower surface and the evenness of the upper surface of the compacted powder bed by using relaxation assists, and the influences of the relaxation assist device on the process characteristics. It was found that the relaxation assist improves the compaction of the polymer powder by locking the powder bed in the compacted form. In addition, the relative times of the compacting stage, decompacting stage and the reorganisation of the particles can be controlled by altering the height of the relaxation assist. It was found that the high-velocity compaction process is an interruption process and that the delay times between the pressure waves can be reduced by increasing the height of the relaxation assist device. Furthermore, the first gross instantaneous springback and the total elastic springback are reduced.</p><p>Two bonding strain gauges and a high-speed video camera system were used to investigate the springback phenomenon during the compaction process. Scanning electron microscopy (SEM) and image computer board Camera (IC-PCI Imaging Technology) were used to the study the morphological characteristics, the limit of plastic deformation and particle bonding by plastic flow at contact points, and pull-out phenomena.</p> / QC 20100506

Le travail est réalisé en collaboration avec le centre d'études de Gramat. Le but est de fournir des outils numériques fiables de prévision de la tenue aux chocs de structures en composites 3D C/C. Pour des sollicitations de quelques microsecondes, une modélisation méso rend bien compte des observations expérimentales. Le traitement numérique d'un tel modèle conduit à des problèmes de taille importante. Nous développons une méthode de sous structuration mixte par interface, itérative, globale en temps et en espace, paramétrée par des directions de recherche qu'il faut optimiser. Les directions de recherche constantes sont peu efficaces. Pour des directions de recherche variables, un algorithme de gradient conjugué est utilisé et optimisé pour réduire le nombre d'itérations. La méthode est validée sur un exemple 1D 1/2. Le cas d'un calcul 3D d'impact plaque/plaque est également traité grâce à l'utilisation du calcul parallèle.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des verdämmten Druckversuches zur Bestimmung experimenteller Daten an verschiedenen Keramik- und Glassorten. Die untersuchten Materialien (Al2O3, TiB2, B4C, Floatglas, schweres Flintglas) lagen in Form von Fragmenten (Bruchstücken) vor und wurden aus realen Impaktexperimenten wiedergewonnen. Zusätzlich wurden thermisch vorgeschädigte Aluminiumoxidzylinder in die Betrachtungen einbezogen. Daten granulierter bzw. vorgeschädigter spröder Materialien sind von besonderem Interesse für Finite Element Rechnungen, um beispielsweise experimentell sehr aufwendige Beschußversuche rechnerisch zu simulieren.Als Untersuchungsmethode wurde der verdämmte Druckversuch verwendet und sowohl an quasistatische als auch an schlagdynamische Belastungsbedingungen angepaßt. Außerdem wurden die entwickelten Testaufbauten für sehr hohe hydrostatische Drücke optimiert. In den quasistatischen Experimenten konnten damit Drücke von 380 MPa bis 1960 MPa und in den dynamischen Versuchen von 495 MPa bis 2060 MPa erreicht werden. Im Ergebnis wurden mechanische Kennwerte der granulierten bzw. vorgeschädigten Materialien ermittelt (Restfestigkeit, Verdichtungsverhalten) und deren Schädigungsgrad vor und nach den Versuchen bestimmt (Rasterelektronenmikroskopie und Messung der spezifischen Oberfläche). Die vielversprechenden Resultate der verschiedenen Keramiken und Gläser wurden verglichen und die Materialien im Hinblick auf ihr Energieaufnahmevermögen unter schlagartiger Belastung bewertet.

Die Arbeit ist der Weiterentwicklung der Formgebungs- und Verdichtungsausrüstungen zur Herstellung von Beton- und Stahlbetonrohren gewidmet. Es werden die Grundlagen für eine schwingungstechnische Auslegung von Betonrohrfertigern mit stehendem und steigendem Kern geschaffen. Den Ausgangspunkt bildet die Untersuchung des Verdichtungsprozesses in Rohrfertigern und der Einflußgrößen auf die Vibrationsverdichtung des Betongemenges. Es werden experimentelle Untersuchungen an einem Versuchsstand und praktische industrielle Erfahrungen dargestellt. Für die schwingungstechnische Auslegung der Verdichtungseinrichtung von Rohrfertigern werden diskrete Modelle mit analytischen Lösungen sowie Modelle zur numerischen Simulation auf der Basis der Mehrkörperdynamik und der Finite-Elemente-Methode gebildet. Es erfolgen Empfehlungen zur Auslegung und Ansätze zur Weiterentwicklung von Rohrfertiger.

Soil is extremely important for providing food, biomass and raw materials, water and nutrient storage; supporting biodiversity and providing foundations for man-made structures. However, its health is threatened by human activities, which can greatly affect the potential of soils to fulfil their functions and, consequently, result in environmental, economic and social damage. These issues require the characterisation of the impact and spatial extent of the problems. This can be achieved through the creation of detailed and comprehensive soil maps that describe both the spatial and vertical variability of key soil properties. Detailed three-dimensional (3D) digital soil maps can be readily used and embedded into environmental models. Three-dimensional soil mapping is not a new concept. However, only with the recent development of more powerful computers has it become feasible to undertake such data processing. Common techniques to estimate soil properties in the three-dimensional space include geostatistical interpolation, or a combination of depth functions and geostatistics. However, these two methods are both partially flawed. Geostatistical interpolation and kriging in particular, estimate soil properties in unsampled locations using a weighted average of the nearby observations. In order to produce the best possible estimate, this form of interpolation minimises the variance of each weighted average, thus decreasing the standard deviation of the estimates, compared to the soil observations. This appears as a smoothing effect on the data and, as a consequence, kriging interpolation is not reliable when the dataset is not sampled with a sampling designs optimised for geostatistics. Depth function approaches, as they are generally applied in literature, implement a spline regression of the soil profile data that aims to better describe the changes of the soil properties with depth. Subsequently, the spline is resampled at determined depths and, for each of these depths, a bi-dimensional (2D) geostatistical interpolation is performed. Consequently, the 3D soil model is a combination of a series of bi-dimensional slices. This approach can effectively decrease or eliminate any smoothing issues, but the way in which the model is created, by combining several 2D horizontal slices, can potentially lead to erroneous estimations. The fact that the geostatistical interpolation is performed in 2D implies that an unsampled location is estimated only by considering values at the same depth, thus excluding the vertical variability from the mapping, and potentially undermining the accuracy of the method. For these reasons, the literature review identified a clear need for developing, a new method for accurately estimating soil properties in 3D – the target of this research, The method studied in this thesis explores the concept of soil specific depth functions, which are simple mathematical equations, chosen for their ability to describe the general profile pattern of a soil dataset. This way, fitting the depth function to a particular sample becomes a diagnostic tool. If the pattern shown in a particular soil profile is dissimilar to the average pattern described by the depth function, it means that in that region there are localised changes in the soil profiles, and these can be identified from the goodness of fit of the function. This way, areas where soil properties have a homogeneous profile pattern can be easily identified and the depth function can be changed accordingly. The application of this new mapping technique is based on the geostatistical interpolation of the depth function coefficients across the study area. Subsequently, the equation is solved for each interpolated location to create a 3D lattice of soil properties estimations. For this way of mapping, this new methodology was denoted as top-down mapping method. The methodology was assessed through three case studies, where the top-down mapping method was developed, tested, and validated. Three datasets of diverse soil properties and at different spatial extents were selected. The results were validated primarily using cross-validation and, when possible, by comparing the estimates with independently sampled datasets (independent validation). In addition, the results were compared with estimates obtained using established literature methods, such as 3D kriging interpolation and the spline approach, in order to define some basic rule of application. The results indicate that the top-down mapping method can be used in circumstances where the soil profiles present a pattern that can be described by a function with maximum three coefficients. If this condition is met, as it was with key soil properties during the research, the top-down mapping method can be used for obtaining reliable estimates at different spatial extents.

Elasto-plastic shock waves in high-velocity compaction of spherical metal particles are the focus of this thesis which consists of four papers (A-D). The compaction process is modeled by a discrete element method while using elastic and plastic loading, elastic unloading and adhesion at contacts. Paper A investigates the dynamic compaction of a one-dimensional chain of homogenous particles. The development of the elasto-plastic shock waves, its propagation and influence on the compaction process are examined. Simulations yield information on the contact behavior, velocity of the particle and its deformation during dynamic compaction. Effects of changing loading parameters on the compaction process are also discussed. Paper B addresses the non-homogeneity in a chain having; particles of different sizes and materials, voids between the particles and particles with/without adhesion between them. Simulations show transmission and reflection of elasto-plastic shock wave during compaction process. The particle deformation during incident and reflected shocks and particle velocity fluctuations due to voids between particles are simulated. The effects of adhesion on particles separation during unloading stage are also discussed. Paper C develops a simulation model for a high-velocity compaction process with auxiliary pistons, known as relaxation assists, in a compaction assembly. The simulation results reveals that the relaxation assists offer; smooth compaction during loading stage, prevention of  the particle separation during unloading stage and conversion of  higher kinetic energy of hammer into particles deformation.  Furthermore, the influence of various loading elements on compaction process is investigates. These results support the findings of experimental work. Paper D further extends the one-dimensional case of Paper A and B into two-dimensional assembly of particles while adding friction between particles and between particles and container walls. Three particular cases are investigated including closely packed hexagonal, loosely packed random and a non-homogenous assembly of particles of various sizes and materials. Consistent with the one-dimensional case, primary interest is the linking of particle deformation with the elasto-plastic shock wave propagation. Simulations yield information on particle deformation during shock propagation and change in overall particles compaction with the velocity of the hammer. The force exerted by particles on the container walls and rearrangement of the loosely packed particles during dynamic loading are also investigated. Finally, the effects of presence of friction and adhesion on both overall particles deformation and compaction process are simulated. / QC 20110311