New unsaturated coupled models have been developed for fluid transport in deformable rock by using modified mixture theory rather than a fully mechanics-based approach. These models include the following: an unsaturated hydro-mechanical coupled model for both non-swelling and swelling materials, in which a new coupled formulation for hydration swelling rock has been included; and an unsaturated hydro-mechanical-chemo coupled model, incorporating a new coupled formulation including osmosis flow and an unsaturated version of Darcy's law which has been extended by including osmosis effects.Modified mixture theory is mainly based on non-equilibrium thermodynamics. Helmholtz free energy is used to give the energy relationship between the fluids and solid and, by using the Gibbs-Duhem equation, the interactions between different fluids such as gas, water and chemical can be obtained. In this research, general coupled formulations for both large small and deformations have been obtained. For swelling rocks, the water between the clay platelets can be modeled by including the difference between the free energy of whole domain and that of the pore water plus the solid skeleton. By assuming small deformations, the final equations can be compared with those derived using the mechanics approach.The new coupled models have been tested by carrying out simple benchmark numerical simulations using finite elements. Problems analyzed include: (1) the consolidation of saturated swelling rocks in which the hydration swelling effects on consolidation have been analysed in detail; (2) the desaturation and resaturation of seasonally affected rocks around tunnels; (3) the desaturation stage for swelling rocks used in the containment of nuclear waste disposal; (4) chemical transport in very low permeability rock used for nuclear waste disposal, in which particular attention has been focused on osmosis flow and chemical consolidation. In summary, this thesis extends modified mixture theory and develops new coupled formulations which can be applied to deep nuclear waste disposal, including tunnelling, drilling and chemical transport in low permeability host rock.

Ingeniero Civil / La distribución de las presiones de poro en la pared del rajo minero es uno de los datos de entrada clave para los estudios de estabilidad geotécnica del rajo, lo que significa que está intrínsicamente relacionado con maximizar la recuperación del mineral y disminuir los costos operacionales a través del diseño de las paredes del rajo y de sistemas de drenaje artificial. En la actualidad es ampliamente utilizada la modelación numérica con un enfoque bidimensional para la obtención de la distribución de presión de poro en el tiempo, debido a los beneficios que entrega en cuanto a su fácil construcción de los modelos, tiempos de resolución bajos, facilidad de probar distintas alternativas de drenaje artificial, entre otros. No obstante, existe la inquietud si al considerar que los flujos no son estrictamente radiales se genera una diferencia significativa con los resultados obtenidos por medio de la modelación numérica con un enfoque bidimensional. En este trabajo de título, las comparaciones entre los resultados obtenidos por medio de enfoques tridimensional y bidimensional concluyeron que existen diferencias significativas generadas por la geometría semi radial del rajo, así como también por la conceptualización del efecto producido por un pozo de bombeo como método de drespresurización artificial. Estas diferencias se logran compensar a través de conductividades hidráulicas equivalentes y por medio de un procedimiento adaptado de representación del efecto de los pozos de bombeo sobre la sección bidimensional. Estas conclusiones entregan beneficios comerciales importantes a los consultores que hacen uso de modelos bidimensionales, reduciendo el tiempo involucrado en el proceso de calibración con la piezometría aledaña a la sección modelada, dismuniyendo la incerteza de los resultados, y de la posibilidad de obtener resultados más precisos de simulación de distribución de presión de poros en el tiempo utilizando modelos numéricos bidimensionales.

La presente tesis doctoral se centra en la preparación de zeolitas de poro pequeño (3.5-4 Å), en concreto, aquellas cuya estructura presenta además cavidades grandes. Este tipo de materiales ha despertado un enorme interés en los últimos años debido al potencial que presentan como catalizadores en procesos de relevancia industrial y medioambiental, tales como el proceso de transformación de metanol a olefinas (MTO) o la reducción catalítica selectiva (RCS) de NOx. Por ello, existe un interés creciente en la preparación de nuevas estructuras de poro pequeño y en la mejora de las propiedades físico-químicas o de los métodos de preparación de las zeolitas ya existentes. Esto se debe, a que en ocasiones, la aplicación industrial de estas zeolitas se ve limitada, tanto por las condiciones de síntesis, como por el coste del agente director de estructura orgánico (ADEO) empleado en la preparación. En este sentido, el desarrollo de nuevas estrategias de síntesis podría dar lugar a la obtención de algunas estructuras de poro pequeño con propiedades físico-químicas mejoradas (relación Si/Al, acidez, tamaño de cristal, entre otras), así como a una reducción en los costes de preparación eliminando el uso de ADEOs o sustituyéndolos por moléculas de menor coste. Todo ello favorecería la posible aplicación industrial de dichas zeolitas de poro pequeño. La primera parte de la tesis se centra en la optimización del proceso de síntesis de dos estructuras zeolíticas de poro pequeño, CHA y AEI, con elevado contenido en sílice y buenos rendimientos de síntesis. Para ello, se desarrolla una nueva metodología de síntesis que combina el uso de agentes directores de estructura orgánicos con el uso de una zeolita cristalina como única fuente de Si y Al. Mediante dicho procedimiento se obtienen ambas zeolitas con unas propiedades físico-químicas (tamaño de cristal y acidez) óptimas para su empleo como catalizadores del proceso MTO. En la segunda parte de la tesis se preparan diferentes zeolitas de poro pequeño (CHA, AEI, AFX y ERI) que contienen cobre o hierro como centros activos aislados. Para la introducción de especies metálicas en su interior, se emplean tanto métodos convencionales de intercambio iónico como métodos de síntesis directa, que eliminan la necesidad de tratamientos post-síntesis, además de permitir obtener una dispersión más homogénea en los cristales de la zeolita. La actividad catalítica y estabilidad hidrotermal de estas zeolitas, se evalúa para la RCS de NOx. / The present doctoral thesis focuses on the preparation of small-pore zeolites (3.5-4 Å), preferentially those also containing large cavities. This type of materials has attracted great technological interest during the last years due to their recent commercial application as catalysts in relevant industrial and environmental processes, such as the transformation of methanol into light olefins (MTO), or the selective catalytic reduction (RSC) of NOx. Therefore, there is an increasing interest in the preparation of new small pore structures and/or the improvement of the physico-chemical properties or the synthesis protocols of the zeolites currently in use. In fact, the industrial application of a particular zeolite could be limited by the high costs associated to its preparation, and in particular, to the high costs associated to the organic structure directing agent (OSDA) employed. In this sense, the discovery and development of new synthetic strategies could not only favor the crystallization of novel small-pore zeolites with improved physico-chemical properties (i.e. Si/Al ratio, crystal size, among others), but also optimizing the production costs, avoiding the use of expensive OSDAs or, at least, substituting those by less-expensive organic molecules. These features could encourage the potential commercialization of such novel small pore zeolites as competitive catalysts for relevant industrial processes. In the first part of this thesis, the synthesis protocols of two different high-silica small pore zeolites, CHA and AEI, have been intensively evaluated in order to develop a new procedure to direct the crystallization of these two zeolites with excellent solid yields. It has been found that the combination of a particular OSDA with a crystalline zeolite as the sole Si and Al sources, as FAU, allows the obtention of both zeolites with optimal physico-chemical properties (crystal size and acidity) for its application as efficient catalysts for the MTO process. In the second part of this thesis, different small-pore zeolites (CHA, AEI, AFX y ERI) containing copper or iron as isolated active catalytic sites, have been prepared. To introduce these metallic species within the zeolite crystals, either conventional ion-exchange methods or direct 'one-pot' synthetic methods have been employed. Interestingly, the use of 'one-pot' synthesis methods not only eliminates the need for post-synthetic ion-exchange treatments, but also allows obtaining better metal dispersions along the zeolite crystals. The catalytic activity and hydrothermal stability of such zeolites has been evaluated for the SCR of NOx. / Aquesta tesi doctoral es centra en la preparació de zeolites de por menut (3.5-4 Å), i en particular, aquelles amb una estructura que presenta, a més, grans cavitats. Aquest tipus de materials han despertat un gran interès als últims anys, degut al potencial que presenten com a catalitzadors eficients en processos rellevants per la indústria i el medi ambient, com son el processos de transformació de metanol a olefines (MTO) o la reducció catalítica selectiva (RCS) de NOx. Per aquest motiu, existeix un interès creixent tant en la preparació de noves estructures de por menut, com en la millora de les propietats fisico-químiques o dels mètodes de preparació de les zeolites ja existents. Aquest motiu es deu a que en ocasions, l'aplicació industrial d'aquestes zeolites, es pot veure limitada per els costs associats a la seua preparació, en particular de l'agent director d'estructura orgànic (ADEO) emprat. En aquest sentit, el desenvolupament de noves estratègies de síntesi podria donar lloc a l'obtenció d'algunes estructures de por menut amb propietats físico-químiques millorades (relació Si/Al, acidesa, tamany de cristall, entre altres), així com a una reducció dels costos de preparació, eliminant l'ús de ADEOs o substituint-los per molècules de menor cost. Tot això, podria afavorir la possible aplicació industrial d'aquestes noves zeolites de por menut. La primera part de la tesi es centra en l'optimització del procés de síntesi de dos estructures zeolítiques de por menut, CHA i AEI, amb un elevat contingut de sílice i amb bons rendiments de síntesi. Per això, s'ha desenvolupat una nova metodologia de síntesi que combina l'ús d'agents directors d'estructura orgànics (ADEO) amb una zeolita cristal¿lina com a única font de Si i Al. Mitjançant aquest procediment, s'han pogut obtenir els dos materials amb unes propietats físico-químiques (tamany de cristall i acidesa) òptimes per al seu ús com a catalitzadors en el procés MTO. En la segona part de la tesi s'han preparat diverses zeolites de por menut (CHA, AEI, AFX I ERI), amb àtoms de coure o ferro com a centres catalítics aïllats. Per a la introducció de les espècies metàl¿liques al seu interior, s'han utilitzat tant mètodes convencionals d'intercanvi iònic com mètodes de síntesi directa. En particular, els mètodes directes eliminen la necessitat de introduir diferents tractament post-síntesi, a més de permetre una dispersió més homogènia del metall als cristalls de la zeolita. L'activitat catalítica i l'estabilitat hidrotermal d'aquestes zeolites s'ha avaluat per a la RCS de NOx. / Martín García, N. (2017). PREPARACIÓN DE ZEOLITAS DE PORO PEQUEÑO CON CONTROL DE SUS PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS PARA SU APLICACIÓN EN CATÁLISIS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/94628

Ces travaux de thèse portent sur l'étude pluridisciplinaire (biochimique, physicochimique, microbiologique) de l'amélioration des qualités aromatiques du Poro, fromage artisanal mexicain au lait cru, afin d'en allonger sa durée de commercialisation sur le marché mexicain. Pour cela, après une caractérisation physicochimique du fromage, différentes techniques d'encapsulation dans l'enrobage de paraffine du fromage ont été testées. Par ailleurs, l'activité inhibitrice de Carnobacterium maltaromaticum LMA28, isolée à partir d'un fromage à pâte molle, a aussi été étudiée vis-à-vis de L. monocytogenes pour une application en industrie fromagère. L'évaluation sensorielle a permis de construire une cartographie des préférences internes pour le fromage Poro. Dans un second temps nous nous sommes intéressée à masquer l'apparition de défauts olfactifs dans le Poro : L'encapsulation de C. maltaromaticum LMA28 est une meilleure alternative pour la libération de 3-méthylbutanal par rapport à l'encapsulation directe du 3-méthylbutanal. Enfin, d'un point de vue microbiologique, aucune trace de contamination fécale n'a été retrouvée dans les produits. Les principales souches de bactéries lactiques isolées dans le fromage ont été : L. plantarum, L. pentosus, L. farciminis, L. rhamnosus. L'effet de quatre facteurs (C. maltaromaticum, concentration en NaCl, temps et pH) et de leurs interactions sur la croissance de L. monocytogenes inoculée dans deux milieux de culture (TSB- YE et lait écrémé) a été étudié. La concentration de C. maltaromaticum LMA28 s'est révélée être le facteur déterminant pour obtenir une inhibition de L. monocytogenes dans les deux milieux de culture testés / This thesis focuses on the interdisciplinary study (biochemical, physicochemical, microbiological) in order to improve sensory qualities and, more specifically, aromatic profile of Poro cheese in order to extend its commercialization period on the Mexican market. After cheese characterization, several encapsulations techniques were tested into cheese paraffin coating. Moreover, inhibitory activity of C. maltaromaticum LMA28 isolated from a soft cheese against L. monocytogenes was also studied. Sensory evaluation led to a preferences internal mapping. It appeared that C. maltaromaticum LMA28 encapsulation was a better alternative for the 3-methylbutanal release compared with 3-methylbutanal direct encapsulation to improve off-flavor apparition in Poro. Sensory experiments performed on Babybel® (cheese model) showed a difference between the sensory perceptions of cheese coated containing or not C. maltaromaticum LMA28. Micro-encapsulation in calcium alginate is a quick encapsulation technique, simple, inexpensive and easy to implement even for a small-scale productions. Finally, from a microbiological point of view, no trace of fecal contamination was found in the products. The main strains of lactic acid bacteria isolated were cheese: L. plantarum, L. pentosus, L. farciminis, and L. rhamnosus. The effect of four factors (C. maltaromaticum, NaCl concentration, time and pH) on L. monocytogenes growth, inoculated into two culture media (TSB -YE and skim milk). The C. maltaromaticum LMA28 concentration appeared to be the determining factor for L. monocytogenes inhibition in both media tested

La lubrification eX-Poro-HydroDynamique (XPHD) est un mécanisme de lubrification d’inspiration biomimétique. Il s’agit principalement d’un écoulement dans un milieu poreux, dont la phase solide représentée par des fibres, induit des forces élastiques de compression considérées comme négligeables par rapport aux forces hydrodynamiques générées à l’intérieur du milieu poreux. L’idée essentielle de la lubrification XPHD consiste en remplacement du matériau antifriction et du film de fluide mince, traditionnellement utilisé dans les solutions classiques, par une couche poreuse imbibée d’un fluide qui fournit plus grande capacité de charge. Ce type de lubrification représente une solution technologique totalement nouvelle (en rupture avec la solution classique) qui peut permettre de remplacer les lubrifiants pétroliers, de créer des systèmes tribologiques autolubrifiants et donc plus écologiques et moins coûteux. Ce travail de recherche est donc focalisé sur l’évolution des performances de la lubrification XPHD dans le cadre d’un mouvement tangentiel, adapté à l’étude de butées pour faible et moyenne vitesses de rotation. Dans ce contexte scientifique, une étude approfondie d’un matériau poreux présélectionné (mousse en polyuréthane) fut réalisée avec le but de déterminer les caractéristiques physiques et les paramètres cruciaux pour la lubrification XPHD: la porosité et la perméabilité du matériau poreux. Les modèles théorique et numérique de lubrification XPHD proposés se basent sur l’équation de Darcy-Brinkman et les hypothèses de la lubrification classique, ainsi que l’écoulement à l’intérieur du milieu poreux sont prédit avec une nouvelle forme de l’équation de Reynolds. Le banc d’essais spécialement développé permet d’étudier expérimentalement le mécanisme de lubrification XPHD pour des différents types de dislocateur en combinaison avec des liquides newtoniens et nonnewtoniens. Une description détaillée du banc d’essais et de tous les dispositifs expérimentaux utilisés ainsi que la comparaison des résultats de modélisation et des résultats expérimentaux sont présentés. / The eX-Poro-HydroDynamic (XPHD) lubrication is a new biomimetic inspired lubrication mechanism. It consists of self-sustained fluid films generated within highly compressible porous layers imbibed with liquids, whose solid phase represented by fibers, induces compressive elastic forces considered negligible compared to the hydrodynamic forces generated inside the porous medium. The essential idea of XPHD lubrication is to replace the antifriction material and the thin fluid film, traditionally used for classical sliding motion, with a porous layer imbibed with a fluid that provides a greater load capacity. This type of lubrication represents a completely new technological solution (in rupture with the classical one) that can replace petroleum lubricants, create self-lubricating and therefore more ecological and less expensive tribological systems. This research work is focused on the evolution of XPHD lubrication performances in the context of a tangential movement, adapted to the study of thrust bearing for low and medium rotation speeds. In this scientific context, a thorough study of a preselected porous material (polyurethane foam) was carried out with the aim of determining the physical characteristics and the crucial parameters for XPHD lubrication: the porosity and the permeability of the porous material. The theoretical and numerical models of the XPHD lubrication proposed are based on the Darcy-Brinkman equation and the classical lubrication hypothesis, as well as the flow within the porous media is predicted with a new form of the Reynolds equation. The specially developed test rig is used to investigate experimentally the mechanism of the XPHD lubrication for different types of thrust bearing in combination with Newtonian and non-Newtonian liquids. A detailed description of the test rig and all used experimental devices, as well the comparison between the experimental and numerical results are presented.

Cette thèse vise à développer un modèle numérique de type lattice permettant de simuler la propagation de fissures sous l’effet d’une injection de fluide dans un milieu hétérogène quasi-fragile. Si la finalité de l'étude concerne l'étude de matrices rocheuses naturelles, dans les différentes parties du manuscrit détaillée ci-après et dans un souci de validation, le modèle a été régulièrement confronté à des résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux cimentaires similaires à des roches naturelles en termes de comportements mécaniques et de transport mais présentant des hétérogénéités mieux contrôlées. La première partie du document est dédiée à l'étude du processus de fissuration caractéristique des matériaux quasi-fragiles présentant une zone d'élaboration. Un outil d'analyse statistique basé sur les fonctions de Ripley et permettant d'extraire une longueur caractéristique à partir d'un nuage de points -- lieux d'un endommagement mécanique -- et présenté. Il est ensuite utilisé dans le cadre d'essais numériques et expérimentaux de rupture par flexion 3 points sur des éprouvettes de bétons. Les résultats montrent que le modèle numérique de type lattice est capable de rendre compte à la fois du processus global de fissuration mais également du processus local de fissuration. Par ailleurs, cet outil permet également de montrer l'influence du mode de sollicitation sur le développement de l'endommagement au sein d'une structure. La deuxième partie du document présente une loi de comportement élasto-plastique endommageable représentative du comportement de joints. L'originalité du modèle réside dans le couplage entre l'endommagement sous sollicitation normale et la plasticité sous sollicitation tangentielle. Cette nouvelle loi permet de reproduire correctement des résultats d'essais de cisaillement indirects effectués sur des joints de plâtre séparant des épontes en mortier alors qu'un modèle de Mohr-Coulomb classique ne le permet pas. La troisième partie est dédiée à l'introduction d'un couplage hydromécanique complet dans le modèle lattice utilisé précédemment. Le couplage hydromécanique est introduit au travers du comportement poromécanique du milieu basé sur une description mécanique-hydraulique duale et intrinsèque du modèle lattice. La contrainte totale fait le lien entre la contrainte mécanique du lattice mécanique et la pression de pore du lattice hydraulique au travers du coefficient du Biot du milieu alors que la perméabilité locale pilotant le gradient de pression hydraulique est indexée sur les ouvertures locales de fissures estimées au travers du lattice mécanique. Les résultats obtenus par ce modèle hydro-mécanique dual ont été confrontés à des solutions analytiques données dans la littérature pour des fissures de type "bi-wings", et il est montré que les deux approches sont cohérentes pour une fissure parfaitement rectiligne. Après les différentes étapes de validation du modèle présentées dans les parties précédentes, la quatrième et dernière partie est dédiée à la simulation numérique du couplage hydromécanique sous-jacent à la propagation libre d'une fissure propageant sous l'effet d'une injection de fluide et de son interaction avec un joint rocheux naturel. Les trajets de fissuration, non maillés a priori, et les profils de pression au sein de la matrice poreuse sont obtenus et comparés en fonction de l'inclinaison du joint rocheux. Par ailleurs, le traitement statistique concernant les lieux d'endommagement développé en première partie est repris ici afin de caractériser l'évolution des longueurs de corrélation entre point s'endommageant au cours de la propagation de la fissure et de son interaction avec le joint. Il est montré que le modèle hydromécanique lattice permet de représenter différent mécanismes de ré-initiation de fissure à partir d'un joint suivant son inclinaison. / This research study aims at developing a lattice-type numerical model allowing the simulation of crack propagation under fluid injection in a quasi-brittle heterogeneous medium. This numerical tool will be used to get a better understanding of initiation and propagation conditions of cracks in rock materials presenting natural joints where the coupling between mechanical damage and fluid transfer properties are at stake. If the final goal of the study does concern natural rocks, the model has been validated by different comparisons with experimental results obtained on cementitious materials mimicking natural rocks in term of mechanical and transport behaviours but presenting heterogeneities which are better controlled. The first part of the manuscript presents a general state of the art. The second part of the manuscript is dedicated to the study of crack propagation in quasi-brittle materials where a significant fracture process zone is evolving upon failure. Only the solid phase is studied here and a statistical tool based on Ripley’s functions is adapted in order to extract a characteristic length representative of the correlations appearing between a set of point undergoing mechanical damage. This tool is then used in the context of numerical and experimental fracture tests on 3 point bending concrete beams. The results show that the lattice-type numerical model is able to capture the global fracture process – in term of force vs. crack opening mouth displacement – but also the local fracture process – in term of dissipated energy and correlation length evolution between damage points. Moreover, this statistical tool shows how the solicitation mode may influence the development of damage within a structure. The third part presents a new elasto-plastic damage constitutive law for joint modelling. The originality of the model lies in the coupling between mechanical damage under normal strain and plasticity under tangential strain. This new constitutive law is able to reproduce indirect shear experimental tests performed on mortar specimens presenting a plaster joint where a classical Mohr-Coulomb criterion fails. The fourth part is dedicated to the representation of the full hydro-mechanical coupling within the lattice-type numerical model. The hydro-mechanical coupling is introduced through a poromechanical framework based on the intrinsic and dual hydro-mechanical description of the lattice model, which is based on a "hydraulic" Voronoï tessellation and a "mechanical" Delaunay triangulation. The total stress links the mechanical stress and the pore pressure through the Biot coefficient of the medium whereas the local permeability, which drives the hydraulic pressure gradient, depends on the local crack openings. The numerical results are compared with analytical solutions from the literature for "bi-wings" shape cracks and it is shown that both approaches present similar results for a perfect straight crack. Once the lattice-model has been successfully validated within the former parts of the manuscript, its fifth and last part is dedicated to the numerical simulation of the fully hydro-mechanical coupling problem of a free crack propagation due to fluid injection and its interaction with a natural joint in an heterogeneous rock medium. Different crack paths, which are not pre-meshed a priori, and different pressure profiles are obtained and compared for different joint inclinations. Finally, our statistical tool, which has been primarily developed for the analysis of the failure behaviour of the solid phase, is used to characterise the evolution of correlation lengths between points undergoing damage upon the crack propagation and its interaction with a natural joint. It is shown that the hydro-mechanical lattice model is able to represent different mechanism of crack stop and restart from a joint depending on its inclination.

L'objectif principal de cette thèse est d'identifier expérimentalement la pression interstitielle d'un béton très humide sous haute pression de confinement. Ce travail fait partie d'un projet plus général visant à comprendre le comportement des structures en béton soumises à un impact au cours duquel, un état de contraintes triaxiales élevées se produit au sein du matériau. Ces structures en béton, souvent massives, gardent un taux de saturation assez élevé durant leur durée de vie. La quantité d'eau libre dans les pores du béton a un rôle prépondérant sur son comportement sous confinement élevé par rapport à d'autres paramètres du matériau (par exemple: rapport eau / ciment ou porosité du béton). Sous une telle charge, la fermeture de la porosité se produit et provoque une augmentation de la pression interstitielle qui n'a été jamais mesurée.Une nouvelle technique de mesure de pression interstitielle en utilisant la presse triaxiale Giga est proposée dans la première partie de cette étude. Elle consiste à remplacer l'échantillon de béton (14 cm en longueur) par un autre plus petit (8 cm de longueur) et une enclume de collecte d'eau (6 cm de longueur) placé en dessous. Cette enclume est composée de deux parties: un bouchon mobile équipé d'un joint d'étanchéité torique permettant l'accès à l'espace libre de la cellule et d’une cellule équipée des micro-trous en contact avec l'échantillon de béton. Deux types de capteurs de pression ont été développés durant cette thèse, un capteur type Hydrostatique et un de type Membrane. Chacun des deux capteurs de pression est placé dans l'espace libre de l’enclume avant chaque essai. Lorsque l'échantillon est sous compression triaxial à fort confinement, l’eau libre de l’échantillon est drainée dans la cavité par le biais des micro- trous. La conception de chaque capteur, la protection de l’ensemble et les essais d'étalonnage des capteurs de pression sont discutés. La deuxième partie de cette thèse est dédiée aux analyses des résultats de mesure de la pression interstitielle effectuées sur des échantillons de béton de référence (R30A7). Les résultats révèlent que la pression interstitielle peut atteindre une valeur comprise entre 200 et 400 MPa sous une pression de confinement égale à 500 MPa. Une modélisation analytique, dans le cadre poro-mécanique, est développée afin d'estimer la pression interstitielle et le comportement volumétrique du béton sous confinement élevé. La comparaison des résultats de mesure et de modélisation est satisfaisante. / The main objective of this PhD thesis is to identify experimentally the interstitial pore pressure of a very wet concrete under high confining pressure. This work is a part of a more general project aiming to understand the concrete behavior under impact during which, a high triaxial stress states occurs. Besides, massive concrete structures keep a saturation ratio strongly depth dependent almost their life time. The quantity of free water contained in concrete pores has a preponderant role on its behavior under high confinement compare to other material parameters (e.g: water/cement ratio or the concrete porosity). Under such loading, porosity closure occurs and causes an increase of interstitial pore pressure which is never measured.In order to perform interstitial pore pressure measurement, two configurations issued from a new testing technic have been developed using the Giga press of 3SR Lab. The technic, detailed in the first two chapters, consists in replacing the 14 cm R30A7 reference concrete sample by a smaller one with a water collect cap below it. The latter is composed of two parts: a movable plug equipped by a sealing joint permitting the access into the cap free space, and a micro-holed cap which is accosted on the concrete sample. A deformable sensor is placed into the free space of the water collect cap. Thus, when the sample is pressurized at high confinement, the interstitial water inside the concrete is transmitted to the sensor through cap micro-holes. The design, protection and calibration of each sensor are discussed.The second part of this thesis is dedicated for pore pressure analysis results. This latter seems to reach high values ranging from 250 till 400 MPa for 500 MPa of confinement. The concrete volumetric behavior under drained condition is lower than the saturated concrete under undrained condition. The collected data reveals that pore pressure increases linearly with the confining pressure within a slope of 0.7.An analytical modeling, within the poro-mechanical framework, is developed in order to estimate the pore pressure and concrete volumetric behavior under high confinement. The model shows promising results while comparing it to the experimental values

Lors du forage des puits d'hydrocarbure, une pâte de ciment est coulée dans l'espace annulaire entre le cuvelage en acier et les formations géologiques traversées. Pompée à l'état liquide, cette pâte de ciment fait sa prise le long du puits sous différentes conditions de température et de pression. La gaine de ciment ainsi mise en place a pour principales fonctions de promouvoir l'étanchéité pour protéger le casing contre la corrosion, de fournir le support mécanique pour assurer la stabilité du puits et d'isoler les différents fluides dans les couches traversées. Au cours de sa vie dans le puits, depuis le forage à la complétion et de la production à l'abandon, la gaine de ciment est soumise à différentes sollicitations mécaniques et thermiques qui peuvent l'endommager et altérer ses principales fonctions. La réponse de la pâte de ciment soumis à ces sollicitations dépend non seulement des conditions d'hydratation mais aussi de l'histoire des chargements précédemment appliqués. La prédiction du comportement de la gaine de ciment doit donc se faire à l'aide d'une modélisation numérique qui nécessite une loi de comportement pour la pâte de ciment. Le but de cette thèse est d'établir une loi de comportement de la pâte de ciment en cours d'hydratation pendant le jeune-âge (les 144 premières heures). Pour ce faire, des essais calorimétriques, de mesures de vitesse des ondes et des essais œdométriques ont été réalisés sur une pâte de ciment pétrolier classe G (w/c = 0,44) en cours de prise. Les conditions d'hydratation explorées vont de 7 à 30°C pour les températures et de 0,3 à 45MPa pour les pressions. Les résultats expérimentaux ont montré que les déformations volumiques de la pâte de ciment dues à son hydratation (retrait macroscopique) sont considérablement influencées par la contrainte sous laquelle la pâte de ciment s'hydrate. Plus la contrainte d'hydratation est élevée, plus élevé est le retrait macroscopique à 144 heures. Inversement, les déformations irréversibles dues à un cycle de chargement mécanique à cet âge sont moins importantes pour les contraintes plus élevées. Les résultats ont également montrés qu'au cours de la prise du ciment, il existe un temps critique à partir duquel l'application des cycles de chargement mécanique crée des déformations résiduelles dans la pâte de ciment. Ce temps critique arrive à un degré d'hydratation relativement constant, compris entre 0,18 et 0,20. Le modèle « Boundary Nucleation and Growth » a été utilisé pour étudier la dépendance de ce temps critique à la pression et à la température. Pour la modélisation du retrait macroscopique et de la réponse contrainte – déformation de la pâte de ciment, un modèle élasto-plastique chemo-poro-mécanique couplé, prenant en compte la désaturation du milieu, a été développé. Ce modèle utilise une surface de charge fermée de type Cam-Clay et une loi plastique associée. La loi d'écrouissage dépend des déformations volumiques plastiques et du degré d'hydratation. Les paramètres du modèle ont été évalués pour simuler le retrait macroscopique de la pâte de ciment hydratée sous différentes contraintes et températures. A un degré d'hydratation donnée, le modèle permet également de simuler la réponse contrainte-déformation due à un chargement mécanique / When drilling oil & gas well, cement slurry is pumped between the casing and the rock formation. This cement slurry sets at different conditions of temperature and pressure. The role of this cement sheath is to provide zonal isolation of different fluid along the well, to protect the casing against corrosion and to provide mechanical support. During the life of the well, from drilling to completion, production and P&A (plug and abandonment), the cement sheath is submitted to various mechanical and thermal loading that can potentially damage its properties and alter its performance. The behavior of cement paste submitted to theses solicitations depends both on the hydration condition and the loadings previously applied on the cement paste. The prediction of cement sheath behavior should be done by numerical modeling, which needs a constitutive law for cement paste. The purpose of the present work is to establish a constitutive law of cement paste during its hydration at early age (first 144 hours). The approach is based on combined calorimetric, wave velocities and oedometric tests on an oil-well class G cement paste with water-to-cement ratio equals 0.44. The hydration conditions explored are 7 to 30°C for temperature and 0.3 to 45MPa for pressure. The experimental results showed that the volumetric strain due to cement hydration (macroscopic shrinkage) depends considerably on the hydration pressure. At 144 hours of hydration, the macroscopic shrinkage increases with the hydration pressure increase. But, the residual strain due to application of mechanical cycle at this age is less for cement hydrated under higher pressure. The experimental results revealed that during the hydration there is a critical time after which, the application of mechanical loading can potentially induce residual strain in cement paste. This time is reached at constant hydration degree between 0.18 and 0.20. The Boundary Nucleation and Growth model was used to model the pressure and temperature dependence of this critical time. A coupled elasto-plastic chemo-poro-mechanical model is developed to simulate the macroscopic shrinkage of cement paste hydrated at different conditions of temperature and pressure. A modified Cam-Clay type yield surface with associate flow rule is used. The hardening law depends both on the degree of hydration and on the plastic volumetric strain. At constant degree of hydration, the developed model permits to simulate the stress – strain behavior of cement paste due to the mechanical loading

L’objectif de ce travail est double : d’une part, il s’agit de développer une méthodologie intégrée pour la construction d’un modèle géomécanique ainsi que la représentation des incertitudes associées aux propriétés poro-élastiques des roches constitutives, en exploitant l’ensemble des données disponibles et en s’appuyant de façon cohérente sur les modèles de réservoir statique et dynamique classiquement utilisés par les géologues et les ingénieurs réservoir ; d’autre part, il s’agit d’analyser quel est l’impact des hétérogénéités géologiques, souvent négligées, dans la réponse mécanique du réservoir sollicité par son exploitation, et d’aboutir à des incertitudes sur les champs de contraintes et de déplacements, issues des incertitudes sur ces hétérogénéités et leurs paramètres mécaniques. Pour ce faire, une méthodologie intégrée s’appuyant sur des simulations géostatistiques a été développée. Après la construction du cadre géométrique 3D, le remplissage des propriétés au sein du réservoir suit une démarche de simulations géostatistiques 3D emboîtées, dans laquelle la représentation des hétérogénéités lithologiques conditionne la génération des propriétés poro-élastiques. La démarche consiste ensuite à représenter les incertitudes sur le modèle géomécanique par des ensembles de réalisations géostatistiques dont la réponse mécanique est alors calculée avec un simulateur mécanique aux éléments finis. Les incertitudes sur les champs de contraintes et de déformations sont déduites ensuite des différentes réponses mécaniques obtenues. La démarche a été mise en œuvre sur un réservoir réel, dans un environnement fluvio-deltaïque, produisant en Mer du Nord. Dans ce cadre, il a été démontré que les hétérogénéités du réservoir et leurs incertitudes influencent significativement les calculs des champs de contraintes et de déformations, ainsi que les risques mécaniques de rupture. Des incertitudes sur les quantités mécaniques analysées (premier invariant du tenseur des contraintes et subsidence) ont été aussi estimées / This work has two main objectives. The first one is to develop an integrated methodology allowing to build a 3D geomechanical model and also to image the uncertainties attached to the poro-mechanical properties of the constitutive rocks. This geomechanical model should be based on all related available data and should be consistent with the static and dynamic models, currently built by reservoir geologists and engineers. The second objective is to analyse the impact of geological heterogeneities, which are often neglected, in the mechanical response of the reservoir induced by its exploitation, and furthermore to derive uncertainties on the stress and deformation fields related to the uncertainties on the input properties of the geomechanical model. An integrated methodology based on geostatistical simulations is developed. First, the geometric frame is built; then an approach of embedded stochastic simulations is carried out to infill the different reservoir properties, the lithological description constraining the petrophysical and poro-elastic descriptions. The next step is to generate the mechanical responses of the stochastic realisations, using a finite-element mechanical simulator. The uncertainties on the resulting stress and displacement fields are then deduced from the multiple mechanical responses which are computed. This approach is demonstrated on a real field case, a fluvio-deltaic reservoir in North Sea. It is shown on this example that the reservoir heterogeneities and their uncertainties significantly influence the calculations of stress and strain fields, and also the risks of mechanical failure. Uncertainties on the mechanical quantities under analysis (first invariant of the stress tensor and subsidence) are also derived

Bien qu’elles ne disposent pas de muscles, les plantes ont réussi à développer un nombre remarquable de mécanismes permettant de créer des mouvements rapides, du repliement rapide des feuilles de mimosa pudica à la dispersion de graines par explosion. Parmi ces exemples spectaculaires qui ont depuis longtemps fasciné les scientifiques, la plante carnivore dionée, dont les feuilles se referment en une fraction de secondes pour capturer des insectes, fait figure de paradigme. Récemment, nous avons montré que ce mouvement met en jeu une instabilité de flambage élastique, due à la forme de coque mince des feuilles du piège. Cependant, l’origine microscopique du mouvement qui permet à la plante de franchir le seuil d’instabilité et de changer activement sa courbure reste méconnue. Dans cette thèse nous étudions ce mouvement actif en utilisant un dispositif micro-fluidique, la sonde de pression, qui donne accès directement aux paramètres élastiques et hydrodynamiques à l’échelle de la cellule (pression osmotique, perméabilité cellulaire, élasticité de la paroi, ...). Nos résultats remettent en question le rôle des flux d’eau d’origine osmotique souvent mis en avant pour expliquer la fermeture active du piège de la dionée. De plus, nous développons un dispositif de micro indentation original utilisant un rhéomètre, pour mesurer la réponse locale des tissus et les propriétés mécaniques des épidermes interne et externe. Nous mesurons une signature claire du mouvement actif de la dionée, et fournissons ainsi de nouveaux arguments pour discuter le mécanisme de fermeture, et plus généralement les mouvements rapides dans les plantes. / Although they lack muscle, plants have evolved a remarkable range of mechanisms to create rapid motion, from the rapid folding of sensitive plants to seed dispersal. Of these spectacular examples that have long fascinated scientists, the carnivorous plant Venus flytrap, whose leaves snap together in a fraction of second to capture insects, has long been a paradigm for study. Recently, we have shown that this motion involves a snap-buckling instability due to the shell-like geometry of the leaves of the trap. However, the origin of the movement that allows the plant to cross the instability threshold and actively bend remains largely unknown. In this study, we investigate this active motion using a micro-fluidic pressure probe that gives direct hydraulic and mechanical measurements at the cellular level (osmotic pressure, cell membrane permeability, cell wall elasticity). Our results challenge the role of osmotically-driven water flows usually put forward to explain Venus flytrap’s active closure. Moreover, we developp a micro-indentation original setup using a rheometer, to measure the local tissue response and mechanical properties of the lower and upper epidermis. Then, we detect a clear signature of the active movement in the Venus Flytrap, and thus provide new arguments to discuss this mechanism, and more generally the movements in plants.