Abstract : The objective of this work is the characterization of heat and mechanical damage in the mortar by the nonlinear acoustic waves. The correlation between non-linear/linear acoustic parameters and damage in mortar is studied based on experiments and modelling. Experimental measurements of non-linear acoustic parameters as a function of temperature and crack size were performed on mortar. The velocities showed a decrease when increasing the degradation and the non-linear parameters showed an increase when increasing the damage. For the heat damage, cylindrical specimens were prepared and were characterized by studying the porosity and saturation. Then, the temperature controls the degradation. Indeed, the linear acoustic (UPV) and non-linear acoustic (Higher harmonic generation) were applied to characterize the damage. The linear acoustic tests have shown that the longitudinal, transverse velocities and modulus of Young of the mortar decreases in function of the temperature. The non-linear acoustic tests have shown that beta increases in function of the temperature. For the mechanical damage and the self-healing, an annular specimens were prepared and cracked by controlling the size of each crack. Then the self-healing phenomenon was characterized by the permeability and the acoustic tests. Indeed, the permeability tests have shown that the airflow and the crack size decreases quickly in the first month then slowly for the rest of the self-healing process. On the other hand, the non-linear acoustic tests shown that the alpha and beta decreases according to the self-healing process which means that the nonlinear parameters are good indicators to characterize the self-healing. Moreover, the analysis of the experimental results indicates that the frequency resonant technique is more efficient to characterize the defects in the mortar than the higher harmonic generation. From the experimental tests and to get a general result independent for our case study, the nonlinear parameters were related to a damage index. A polynomial correlations of a 2nd degree was established between the nonlinear parameters and the index damage. A numerical model based on the finite element volume was proposed to establish a correlation between the crack size and the airflow. The numerical results were compared with the results of the permeability tests and shown a good agreement. The findings of this work should be most appropriate as a foundation for the study of the self-healing by the nonlinear acoustic waves. / Résumé : L'objectif de ce travail est la caractérisation de l’endommagement thermique et mécanique dans le mortier par les ondes acoustiques non linéaires. La corrélation entre les paramètres acoustiques linéaires et non linéaires est basée sur les essais expérimentaux et la modélisation. Des mesures expérimentales des paramètres acoustiques non linéaires en fonction de la taille de la fissure et la température ont été effectuées sur mortier. Les vitesses ont montré une diminution et les paramètres non linéaires ont montré une augmentation en augmentant le degré de fissuration. Pour l’endommagement thermique, des éprouvettes cylindriques ont été préparées et ont été caractérisées par l'étude de la porosité et de la saturation. L'acoustique linéaire (UPV) et l’acoustique non linéaire (génération d'harmoniques) ont été appliquées afin de quantifier l’endommagement. Les essais acoustiques linéaires ont montré que les vitesses transversales, longitudinales et le module d'Young du mortier diminuent en fonction de la température. Les essais acoustiques non linéaires ont montré l'augmentation du bêta est fonction de l’endommagement thermique. Pour l’endommagement mécanique et l'autocicatrisation, des anneaux de mortier ont été préparés et fissurés en contrôlant la taille de chaque fissure. Ensuite, le phénomène d'autocicatrisation est suivi par la perméabilité et des essais acoustiques. Les essais de perméabilité ont montré que le débit d'air et la taille de la fissure diminuent rapidement au cours du premier mois, puis lentement durant le reste du processus d'autocicatrisation. D'autre part, les tests acoustiques non linéaires ont montré que « alpha » et « bêta » diminuent durant le processus de l’autocicatrisation, ce qui signifie que les paramètres non linéaires sont des bons indicateurs pour caractériser ce phénomène. En outre, l'analyse des résultats expérimentaux indique que la technique de résonance de fréquence est plus efficace pour caractériser les défauts dans le mortier que la génération d'harmoniques plus élevés. À partir des essais expérimentaux et dans le but d'obtenir un résultat plus général indépendant de notre cas d’étude, les paramètres non linéaires ont été liés à un index d’endommagement. Une corrélation polynomiale de 2e degré a été établie entre les paramètres non linéaires et l’index d’endommagement. Un modèle numérique basé sur la méthode des volumes finis a été proposé afin d'établir une corrélation entre la taille de la fissure et le flux d'air. Les résultats numériques ont été comparés avec les résultats des tests de perméabilité et montré un bon accord. Les résultats de ce travail représentent un bon départ pour étudier le phénomène de l'autocicatrisation par les ondes acoustiques non linéaires.

Ce travail allie une approche théorique, basée sur la mécanique des milieux poreux réactifs, à une approche expérimentale importante, afin de mieux comprendre le fonctionnement d'un béton atteint d'alcali-réaction (plus précisément, de réaction alcali-silice). L'intérêt de la modélisation se manifeste dès la conception du programme d'essais, en orientant le choix des principaux paramètres - apports d'eau, température et contraintes - et en induisant une méthodologie d'étude qui établit un parallèle entre les effets macroscopiques et les causes microscopiques de l'alcali-réaction. Le volet expérimental a porté sur les déformations, fissurations, variations de poids et caractéristiques mécaniques de plus de six cents éprouvettes, en gonflement libre ou sous contrainte uniaxiale. Parallèlement, l'évolution de la microstructure du matériau a été étudiée par différentes techniques: microscope électronique à balayage, visualisation des produits de réaction par fluorescence des ions uranyle, calculs minéralogiques. Les principaux résultats expérimentaux ont été établis sur des bétons ordinaires à base de granulats calcaires (réactifs ou non) et de ciment Portland artificiel. Ils concernent principalement : - l'absence d'influence de l'état de contrainte du matériau sur l'évolution des processus physico-chimiques constituant l'alcali-réaction, ce qui permet d'envisager un calcul d'ouvrage par une approche de type 'déformations chimiques imposées', - le caractère secondaire, sur le plan du gonflement macroscopique, des phénomènes de nature osmotique, et la prépondérance de l'effet de la localisation des produits de réaction, - le rôle primordial, vis-à-vis du gonflement, de la quantité d'eau disponible au moment de la formation des produits de réaction, - la possibilité d'obtention de déformations atteignant 0,1% à partir de la seule eau de gâchage non utilisée par l'hydratation du ciment, - l'indépendance des phénomènes de transport d'eau par rapport à la présence d'alcaliréaction, - l'existence d'un seuil de dessiccation en dessous duquel l'alcali-réaction est bloquée jusqu'à l'arrivée de nouveaux apports d'eau, - la quantification de l'hétérogénéité intrinsèque, justifiant l'introduction d'un aléa sur le gonflement asymptotique, - le suivi de l'évolution des caractéristiques mécaniques, montrant le maintien des résistances en compression et en traction par fendage et une chute de l'ordre de 30% du module d'Young, liée à la fissuration des éprouvettes, - l'explication de l'origine de l'anisotropie du gonflement libre, due au sens du coulage et à l'anisotropie du béton, indépendamment de l'alcali-réaction, - la compréhension des causes de la forme sigmoïdale des courbes de gonflement, résultant de l'augmentation de l'espace poreux au fur et à mesure du développement de l'alcali-réaction et donc de la plus grande facilité de diffusion, - la mise en évidence de l'importance de la phase d'accélération des phénomènes (notion de temps de latence), dont la durée dépend des apports d'eau extérieurs, mais surtout de la température (dont l'effet est essentiellement cinétique). Ces résultats ont permis d'identifier les ordres de grandeur des paramètres fondamentaux d'une loi de comportement décrivant l'évolution d'un béton du même type que celui de plusieurs ouvrages atteints d'alcali-réaction, dans le Nord de la France.

Cette recherche, entreprise dans le cadre d'un programme de la C.C.E. pour le compte du Commissariat à l'Energie Atomique a pour objectif d'étudier les effets à long terme de variations de température sur le volume et la texture de sols argileux, en fonction notamment de leurs caractéristiques pétrophysiques et pétrographiques initiales et de leur état de consolidation. Cette étude repose d'un point de vue expérimental sur le suivi de la déformation volumique et de la perméabilité d'échantillons placés dans une cellule oedométrique et soumis à des sollicitations thermiques dans la gamme de température 20°C-110°C. Une étude texturale complète (porosimétrie au mercure, observation au M.E.B., etc) avant et en fin d'essai permet d'apprécier l'évolution de la texture des matériaux. D'une analyse bibliographique sur les argiles, leurs caractéristiques, leur évolution avec la température et leur déformation volumique uniaxiale lors d'un chargement pour différentes températures, il ressort qu'une argile peut présenter un comportement dilatant ou compactif sous l'effet d'une augmentation de température. Le comportement est le plus souvent compactif à la pression de préconsolidation. Certains paramètres ont un rôle prépondérant ; ce sont : la teneur en eau, l'état de consolidation, la plasticité, la minéralogie et le temps. Ces paramètres ont été des critères de sélection afin de retenir quatre matériaux pour la phase expérimentale. Le dispositif expérimental utilisé et conçu au Centre de Géologie de l'Ingénieur est une cellule oedométrique à contre-pression, de conception générale classique, avec des aménagements particuliers destinés notamment à minimiser le frottement latéral du piston, et la dilatation des pièces qui interviennent dans la mesure du déplacement vertical. Les principaux résultats obtenus sont : - une augmentation de la compressibilité entre 20 et 110°C ; - une évolution du module de fluage avec la température dans le cas d'une application du chargement à cette température ; - une augmentation du tassement avec l'incrément de température appliqué ; - un fluage notable d'où l'importance du temps dans la mesure de la déformation ; - une analogie entre consolidation mécanique et consolidation thermique amenant à effectuer un changement d'origine du temps pour les courbes à chaque nouvelle sollicitation thermique ; - un comportement fortement irréversible lors du refroidissement ; - un comportement particulier pour l'argile de LIMAY à rattacher à ses caractéristiques spécifiques: minéralogie, plasticité élevée, perméabilité faible,... ; - une modification de la texture du matériau due à la température, modification réelle mais bien moindre que celle due à la pression ; - la perméabilité intrinsèque est pratiquement indépendante des variations thermiques imposées dans la gamme de 20 à 110°C.

Ce travail est une contribution à la caractérisation de l'espace poreux des roches sédimentaires, par l'étude des équilibres capillaires dans une vingtaine d'échantillons provenant de divers horizons géologiques et géographiques; ce en relation avec une connaissance fine de la texture de ces roches. Les caractéristiques pétrographiques des roches étudiées ont été définies grâce à la combinaison de divers moyens classiques : observation visuelle, lames minces, photographies au microscope électronique à balayage (MEB) et diffraction des rayons X. Quant aux caractéristiques pétrophysiques, 3 ont été mesurées : il s'agit de la porosité, de la perméabilité, et du facteur de formation. L'analyse de la texture a été envisagée à partir de deux techniques basées sur l'étude de la répartition d'un couple de fluides non miscibles (air-eau et mercure-vapeur) dans les réseaux poreux. Il s'agit de la méthode des états restaurés et de porosimétrie au mercure. Elles permettent l'obtention de courbes de pression capillaire en fonction de la saturation (courbe Pf et courbe porosimétrique). De ces courbes on déduit plusieurs paramètres qui sont en relation avec la géométrie de l'espace poreux, tel que la décomposition de la porosité en deux classes : la macroporosité (rayon d'accès > 1µm) et la microporosité (rayon d'accès < 1µm), ainsi que le rayon moyen d'accès de chacune d'elles. Les échantillons ont été ensuite répartis dans deux catégories : les monoporeux et les biporeux. La combinaison des mesures pétrophysiques et des paramètres issus des courbes de pression capillaire a permis l'obtention de nombreuses corrélations entre les différents facteurs. La confrontation entre l'observation des échantillons au MEB et les courbes de pression capillaire assimilées à des hyperboles d'équation Y = A/X a montré que le facteur A est en relation directe avec le mode de la répartition des accès des pores. D'autre part la comparaison entre les courbes Pf et porosimétrique montre que l'on peut déduire l'une de l'autre moyennant quelques manipulations complémentaires simples.

Ce mémoire s'intéresse au comportement hydro-mécanique de l'argilite. On montre que la théorie classique de Biot n'est pas du tout adaptée au cas de l'argilite. Une loi de comportement originale est alors construite grâce à des outils d'homogénéisation, en intégrant la microstructure de l'argilite et des phénomènes physiques existant aux échelles microscopiques, tels la surpression de gonflement au niveau des particules d'argile et les effets capillaires au niveau du réseau poreux. Cette loi de comportement permet d'expliquer tout un jeu d'expériences qui ne l'était pas par la théorie classique de Biot. Elle est ensuite enrichie pour intégrer les données expérimentales que sont la dépendance du tenseur d'élasticite au degré de saturation et la présence d'une porosité autour des inclusions. Cette loi de comportement pertinente, exploitée à partir du suivi dimensionnel d'échantillons sous chargement hydrique, permet de proposer une estimation pour le tenseur de Biot pour l'argilite. Afin d'alimenter cette équation d'état, on s'intéresse par ailleurs aux variations du degré de saturation d'un échantillon lors d'un séchage. Deux modèles de séchage sont étudiés et comparés, puis une modélisation du réseau poreux est proposée afin d'expliquer les mesures atypiques de perméabilité.

La chimie supramoléculaire est un domaine qui suscite depuis quelques années un intérêt grandissant. Le domaine s’appuie sur les interactions intermoléculaires de façon à contrôler l’organisation moléculaire et ainsi moduler les propriétés des matériaux. La sélection et le positionnement adéquat de groupes fonctionnels, utilisés en combinaison avec un squelette moléculaire particulier, permet d’anticiper la façon dont une molécule interagira avec les molécules avoisinantes. Cette stratégie de construction, nommé tectonique moléculaire, fait appel à la conception de molécules appelées tectons (du mot grec signifiant bâtisseur) pouvant s’orienter de façon prévisible par le biais d’interactions faibles et ainsi générer des architectures supramoléculaires inédites. Les tectons utilisent les forces intermoléculaires mises à leur disposition pour s’orienter de façon prédéterminée et ainsi contrecarrer la tendance à s’empiler de la manière la plus compacte possible. Pour ce faire, les tectons sont munies de diverses groupes fonctionnels, aussi appelés groupes de reconnaissance, qui agiront comme guide lors de l’assemblage moléculaire. Le choix du squelette moléculaire du tecton revêt une importance capitale puisqu’il doit permettre une orientation optimale des groupes de reconnaissance. La stratégie de la tectonique moléculaire, utilisée conjointement avec la cristallisation, ouvre la porte à un domaine de la chimie supramoléculaire appelé le génie cristallin. Le génie cristallin permet l’obtention de réseaux cristallins poreux soutenus par des interactions faibles, pouvant accueillir des molécules invitées. Bien que toutes les interactions faibles peuvent être mises à contribution, le pont hydrogène est l’interaction prédominante en ce qui a trait aux réseaux cristallins supramoléculaires. La force, la directionnalité ainsi que la versatilité font du pont hydrogène l’interaction qui, à ce jour, a eu le plus grand impact dans le domaine du génie cristallin. Un des groupements de reconnaissance particulièrement intéressants en génie cristallin, faisant appel aux ponts hydrogène et offrant plusieurs motifs d’interaction, est l’unité 2,4-diamino-1,3,5-triazinyle. L’utilisation de ce groupement de reconnaissance conjointement avec un cœur moléculaire en forme de croix d’Onsager, qui défavorise l’empilement compact, permet l’obtention de valeurs de porosités élevées, comme c’est le cas pour le 2,2’,7,7’-tétrakis(2,4-diamino-1,3,5-triazin-6-yl)-9,9’-spirobi[9H-fluorène]. Nous présentons ici une extension du travail effectué sur les cœurs spirobifluorényles en décrivant la synthèse et l’analyse structurale de molécules avec une unité dispirofluorène-indénofluorényle comme cœur moléculaire. Ce cœur moléculaire exhibe les mêmes caractéristiques structurales que le spirobifluorène, soit une topologie rigide en forme de croix d’Onsager défavorisant l’empilement compact. Nous avons combiné les cœurs dispirofluorène-indénofluorényles avec différents groupements de reconnaissance de façon à étudier l’influence de l’élongation du cœur moléculaire sur le réseau cristallin, en particulier sur le volume accessible aux molécules invitées. / Supramolecular chemistry is a field of rapidly increasing interest in recent years. The field uses weak intermolecular interactions to control molecular organisation and therefore modulate the properties of materials. Adequate selection and positioning of functional groups, combined with a carefully selected molecular core to which the groups are attached, allows for the creation of molecules with a high degree of predictability in the way they will interact with their neighbours. This approach to the design and construction of materials, called molecular tectonics, is based on subunits called tectons (derived from the Greek word for builder), which use weak interactions to organise themselves in a predictable manner and generate novel supramolecular architectures. In favorable cases, the interactions can counter the general tendency shown by molecules to pack together in a compact manner. Instead, specific functional groups direct molecular recognition and help guide the process of auto-assembly. At the same time, the molecular core of the tecton is also of capital importance as it must allow an optimal orientation of the recognition groups. The molecular tectonics approach, used jointly with crystallisation, opens the door to new opportunities in crystal engineering. For example, crystal engineering now allows the logical creation of porous crystalline networks that can accept guest molecules. Although any type of weak interaction can hold such networks together, the hydrogen bond is favored for constructing porous supramolecular networks. The strength, directionality and versatility of the hydrogen bond accounts for its special importance in the domain of crystal engineering. A recognition group of particular interest in crystal engineering is the 2,4-diamino-1,3,5-triazinyl unit. This unit forms hydrogen bonds according to various standard motifs. The use of this recognition group, joined to molecular cores specifically designed to inhibit close packing, such as Onsager crosses, allows for the construction of supramolecular networks with high porosity, as shown by the behaviour of 2,2’,7,7’-tetrakis(2,4-diamino-1,3,5-triazin-6-yl)-9,9’-spirobi[9H-fluorene]. We present here an extension of previous studies of spirobifluorenyl cores by describing the synthesis and structural analysis of molecules with related dispirofluorene-indenofluorenyl cores. This new core offers the same characteristics as the spirobifluorenyl core, namely rigid topology and an Onsager cross molecular shape which are known to inhibit close packing. We have combined this core with a variety of recognition groups to verify the influence of the molecular core on the crystalline networks generated, particularly on the volume accessible to guest molecules.

Ce travail porte sur la simulation numérique et la modélisation du comportement thermo-mécanique des matériaux composites renforcés par des fibres. Spécifiquement les matériaux SMC (Sheet Moulding Compound) sont utilisés dans le processus de moulage par compression pour construire des pièces automobiles de haute performance. Ce travail est divisé en quatre chapitres, décrivant tout d’abord un modèle thermo-mécanique entièrement couplé pour les matériaux SMC standards et innovants à haute concentration en fibres (> 25% en volume). Le SMC est traité comme un mélange incompressible de fibre et de résine complété éventuellement par une phase de porosité compressible. Son anisotropie est modélisée au moyen de tenseurs structurels. La cinétique de réaction et de consolidation de la pièce est également modélisée et étudiée. Les données expérimentales mécaniques et thermiques enregistrées sur des échantillons de matériaux SMC sont comparées au modèle et à la solution numérique fournie par ce travail. D’un point de vue numérique, nous utilisons la méthode des domaines immergées o`u chaque phase est distinguée par une fonction distance signée. Nous décrivons le procédé de moulage par compression en proposant une résolution compressible anisotrope unifiée capable de décrire la transition compressible / incompressible du matériau SMC sous déformation. Cela permet de décrire la réponse mécanique du SMC et de prédire localement la consolidation (durcissement) de la pièce le long du cycle thermique. / This work deals with the numerical simulation and modeling of thermomechanical analysis of fiber reinforcedcomposites materials. Specifically for SMC (Sheet Molding Compound) materials that are used in compression molding processes to build automotive high performance parts. The work is divided into fourchapters, firstly describing a fully coupled thermo-mechanical model for standard SMC materials and for innovative SMC with high fiber concentration (> 25% in volume). The SMC is treated as an incompressible mixtureof fibers and paste complemented by a compressible porosity phase. Its anisotropy is modeled by means of structural tensors. Kinetic of reaction and consolidation of the part is also modeled and studied. Mechanicaland thermal experimental data recorded on samples of SMC materials are compared to the model and numerical solution provided in this work. A numerical framework, we use the immersed boundary method and the level set method. We describe the compression molding process by proposing an unified anisotropic compressible resolution able to describe the transition between compressible/ incompressible of SMC materials under deformation. We are able to describe the mechanical response of the SMC and to predict locally the consolidation (curing) of thepart throughout the thermal cycle.

Le principe de la projection dynamique par gaz froid ou « cold spray » repose sur la projection de particules de poudres convoyées par un gaz à des vitesses supersoniques vers un substrat. La déformation des particules à l’impact avec ce dernier permet la construction d’un dépôt. Ce procédé permet de conserver la microstructure des particules de poudre et de produire des dépôts peu poreux. Cette dernière caractéristique est essentielle dans le cadre d’applications anticorrosion. L’ambition de la thèse est de comprendre le rôle de la microstructure sur les mécanismes de corrosion marine d’un dépôt à base d’aluminium élaboré par cold spray. Pour atteindre cet objectif sont projetées des poudres à base d’aluminium (aluminium pur, alliages d’aluminium et mélanges avec ajout d’alumine) sur un substrat en acier. Les microstructures des dépôts sont étudiées jusqu’à l’échelle nanométrique (MET). L’adhérence des dépôts est mesurée par l’essai de plot collé. A partir des microstructures sont proposés plusieurs mécanismes de formation de la porosité dans un dépôt cold spray à différentes échelles. Une étude numérique par éléments finis complète cette analyse microstructurale. Grâce aux mesures de la vitesse (DPV-2000) et de la température (caméra thermique) d’impact des particules, les paramètres de nouveaux modèles matériau sont optimisés pour simuler le comportement de l’aluminium et de l’alumine à l’impact. De plus, plusieurs essais de corrosion marine (immersion et brouillard salin) sont conduits. L’étude des microstructures corrodées permettent d’établir différents mécanismes de corrosion du dépôt cold spray. Un lien entre la porosité du dépôt et son comportement en corrosion est notamment montré. Enfin, une première approche du transfert de technologie du procédé à l’échelle industrielle est décrite. / Cold spray process is based on spraying particles carried by a gas at a supersonic speed onto a substrate. Particle deformation during impact with the substrate creates a coating. This spraying process can retain particle microstructure and produce very dense coating. This property is crucial for anticorrosion applications. The aim of this work is to understand the effect of cold spray aluminum coating microstructure on marine corrosion mechanisms. To achieve this goal, several aluminum powders (including pure aluminum, aluminum alloys and mixtures with alumina) are sprayed onto a steel substrate. Coating microstructure is studied down to a nanoscale (TEM). The coating-substrate bond strength is determined using pull-off testing. From a thorough microstructure study, various mechanisms are proposed to explain multiscale porosity formation in coatings. A numerical study using finite elements modeling complements this microstructure analysis. From particle speed (DPV-2000) and temperature (thermal camera) measurements during impact, new material models are optimized to model aluminum and alumina behavior at particle impact. Moreover, corrosion tests are conducted (including immersion and salt spray tests). The study of corroded coating microstructures is used to identify corrosion mechanisms which occur in the coating. A relationship between coating porosity and its corrosion behavior is particularly brought into light. Finally, a first approach to a technological transfer of this process to an industrial application is proposed.

Nous avons étudié la conductivité thermique de particules de silice mésoporeuse organisée de type SBA-15 de morphologie bâtonnet et présentant trois états d’agrégation : non agrégées (morphologie A), agrégées en macrostructures fibreuses homogènes en taille (morphologie B) et agrégées en macrostructures fibreuses hétérogènes en taille (morphologie C). Ces trois types de morphologie ont subi un traitement thermique post-synthèse à des températures variables allant de 150 °C jusqu’à 900 °C. Les mesures de conductivité thermique ont été effectuées sur ces trois morphologies. Il s’est avéré que la morphologie B est la plus isolante par rapport aux deux autres morphologies. De plus, le traitement thermique post-synthèse à 300 °C est optimal pour avoir des caractéristiques texturales très importantes, ainsi qu’une meilleure performance en isolation thermique (23 mW.m-1.K-1 pour la poudre, 30 mW.m-1.K-1 pour le monolithe). Dans le cas de la morphologie B, nous avons modifié l’interconnexion entre les mésopores cylindriques réguliers qui caractérisent la SBA-15; soit la présence ou non de microporosité, voire de mésoporosité, en variant la température de l’étape de synthèse dite de vieillissement de 36 à 130 °C. Il apparait que la température de vieillissement à 130 °C améliore la performance d’isolation thermique (22 mW.m-1.K-1). Des pastilles de la SBA-15 de morphologie B en été élaborées par ajout de liants de deux types : organique avec la carboxyméthylcellulose, et inorganique avec une silice colloïdale. En ajoutant ces deux types de liants, les propriétés mécaniques sont un peu améliorées, cependant la performance d’isolation thermique diminue notablement. / We have studied the thermal conductivity of rod-shaped particles of ordered mesoporous silica (OMS) SBA-15 type with three states of aggregation: non aggregated (morphology A), aggregated in fibrous macrostructures homogeneous in size (morphology B) and aggregated in fibrous macrostructures heterogeneous in size (morphology C). These three types of morphology were heat treated at temperatures from 150 °C to 900 °C. The thermal conductivity measurements were performed on these three morphologies in powder form or monoliths (assembly of particles or aggregates). It has been found that the morphology B is more insulating compared to the two other morphologies. In addition, the post-synthesis heat treatment at 300 °C is optimum for obtaining important textural characteristics (specific surface area and pore volume), and a better thermal insulation performance (23 mW.m-1 K-1. for the powder and 30 mW.m-1.K-1 for the monolith). For morphology B, we have changed the interconnection between regular cylindrical mesopores of SBA-15 by varying the synthesis temperature during the aging step from 36 to 130 °C. It appears that the aging temperature at 130 °C, where the connection between the cylindrical mesopores is realized by mesopores, improves the performance of thermal insulation (22 mW.m-1.K-1). Monoliths of OMS SBA-15 type with morphology B were prepared by adding two kinds of binders: organic with carboxymethylcellulose (CMC), and inorganic with a colloidal silica (Ludox AS40). By adding these two kinds of binders, the mechanical properties of the SBA-15 with morphology B are improved, but the thermal insulation performance decreases considerably.

L’objectif de cette thèse porte sur le développement de nouveaux moyens de caractérisation mécanique de matériaux poreux inorganiques. La technique de microindentation instrumentée avec indenteur sphérique a été utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques du plâtre pris, utilisé comme matériau modèle, à deux porosités différentes (30 et 60%vol). Les méthodes analytiques, développées initialement en nanoindentation, ont permis d’extraire la dureté et le module d’élasticité des deux matériaux, ainsi que les courbes contrainte-déformation d’indentation. Une méthodologie d’essai a été notamment détaillée afin de pouvoir appliquer cet essai d’indentation sphérique à l’étude de céramiques à forte porosité. Une approche numérique a permis de compléter les méthodes analytiques et d’identifier une loi de comportement élastoplastique pour le matériau modèle. Un modèle éléments finis 2D-axisymétrique a ainsi été développé pour simuler les essais d’indentation sphérique. Un module d’indentification inverse, MIC2M, a ensuite été utilisé pour identifier les paramètres associés au critère de Drücker-Prager (cohésion, frottement et dilatance) pour minimiser l’erreur entre la courbe expérimentale et numérique. La simulation de l’indentation Vickers, ainsi que des essais de compressions uniaxiaux et œdométriques ont permis de valider les paramètres matériaux identifiés par indentation sphérique. L’utilisation des techniques de tomographie aux rayons X et de microscopie électronique à balayage (MEB) a permis de mettre en évidence une densification du matériau au cours de l’indentation. Aucune fissure macroscopique fragile n’a par contre été observée, confirmant les différences de comportement mécanique entre des céramiques à fort taux de porosité et des céramiques denses. La méthodologie ainsi développée a ensuite été appliquée au cas d’une céramique biorésorbable à base de phosphate de calcium, famille de matériaux largement utilisée pour la substitution osseuse. Des cylindres de ciments brushitique ont subi un vieillissement in vitro d’une durée maximale de deux mois dans une solution de Phosphate Buffered Saline rafraichie. La méthode de microindentation a permis de suivre l’évolution des différents paramètres mécaniques au cours de la cinétique de dégradation des ciments. Les résultats ont montré une bonne corrélation entre les évolutions des propriétés mécaniques et physicochimiques des échantillons, suivies par diffraction des rayons X et MEB. Ainsi, après une dissolution initiale du ciment, la précipitation de nouvelles phases de phosphates de calcium plus stables a entraîné une augmentation des caractéristiques mécaniques en cours de vieillissement, mesurées par indentation. Cette méthode d’essai semble donc être un outil prometteur pour le suivi des propriétés d’explants biomédicaux et, plus généralement, des céramiques à fortes porosités. / The objective of this study is to develop a methodology to characterize the mechanical behaviour of porous inorganic materials. Spherical instrumented indentation tests were used to determine the mechanical properties of a model material, gypsum, with two different porosities (30 and 60% vol.). Classical analytical methods, initially developed for nano-indentation, were used to extract the hardness and the elastic modulus of both materials, as well as stress-strain indentation curves. A methodology has been detailed in order to apply spherical indentation test to study high porous ceramics. To complete this analytical analysis, a numerical approach is used to identify an elastoplastic constitutive law for the material model. A 2D axisymmetric finite element model was developed to simulate spherical indentation tests. An inverse identification module, MIC2M, was then used to identify parameters associated to Drücker-Prager criterion (cohesion, friction and dilatancy) by minimizing the error between the experimental and the simulated indentation curves. These parameters were validated through the numerical simulation of a Vickers indentation test. Uniaxial compression and oedometer tests were also carried out on cylindrical samples to estimate the accuracy of the identified parameters. The mechanisms occurring during indentation were investigated using RX tomography and SEM. A large densified zone was noted below the indented area, with extensive gypsum crystal fracture. No macroscopic brittle crack could be observed confirming the differences between the mechanical behaviour of high porous ceramics and dense ceramics. The methodology developed in this study was applied to calcium phosphate cements, widely used for bone substitution. In-vitro degradation tests were performed on cylindrical samples of cements during 2 months into a refreshed Phosphate Buffered Saline solution. The micro-indentation method was enabled to follow mechanical properties of degraded samples and was discriminant enough to monitor the degradation process and its kinetics. Results showed a good correlation between evolutions of mechanical and physico-chemical properties of the cement investigated by X-ray diffraction and SEM. Thus, after initial cement dissolution, precipitation of more stable phosphate calcium phases implied an increase of the mechanical properties during aging. This method seems to be a promising tool for monitoring biomedical explants properties and, more generally, high porous ceramics.