Les propriétés physiques, mécaniques et chimiques des matières premières ont un effet majeur sur la qualité des anodes en carbone pour le procédé de production d’aluminium. Ce travail tente d’étudier la faisabilité de l’application de simulation de la Méthode des Élément Discrets (DEM) à la technologie de production d’anodes. L’effet de la forme des particules et de la distribution de leurs tailles sur la densité apparente vibrée (VBD) d’échantillons de coke sec est étudié. Les particules de coke sont numérisées en utilisant des techniques d’imagerie à deux et trois dimensions. Ces images donnent les formes et les aspects réels des particules qui sont utilisées pour les modèles DEM pour les tests VBD pour le codage de flux de particules (PFC). Le coefficient de friction interne des particules de coke est estimé par la méthode de mesure d’angle au repos. Les résultats ont montrés comme attendu, que la VBD des échantillons de coke est affectée par la forme et la distribution de taille des particules. Les simulations à deux dimensions ont confirmé qu’en général, les échantillons formés de particules de tailles poly-dispersées ont une VBD plus haute que ceux dont la taille des particules est mono-dispersée. De plus, la VBD des échantillons augmente lorsque la fraction de grosses particules augmente. Cependant, la présence de 10 % massique de particules fines est nécessaire pour remplir les pores entre les grosses particules. De même pour la simulation 3D, le modèle suit la tendance des données expérimentales montrant que dans une éprouvette de 2,9 cm de diamètre, l’augmentation de la quantité de particules de - 4+6 mesh (de 3,36 à 4,76 mm) engendre une augmentation de la VBD. En conclusion, un modèle DEM approprié est capable de prédire le réarrangement des particules et l’évolution de la densité pendant le processus de vibration. / Physical, mechanical and chemical properties of raw materials have considerable effects on quality of carbon anodes for aluminium smelting process. The present work attempts to investigate the feasibility of application of Discrete Element Method (DEM) simulations in anode production technology. Effects of coke particles shape and size distribution on vibrated bulk density (VBD) of dry coke samples are studied. Coke particles are digitized using two-dimensional and three-dimensional imaging techniques and real-shape particles are used in DEM models of VBD test in Particle Flow Code (PFC). Internal friction coefficient of coke particles were estimated by means of angle of repose tests. Results showed that, as expected, VBD of coke samples is affected by shape and size distribution of the particles. Two-dimensional simulations confirmed that in general, mixed-sized samples have higher VBD than mono-sized cokes and as the fraction of coarse particles increases vibrated bulk density increases. However, existence of 10 wt.% of fine particles to fill the pores between coarse particles is essential. For 3D simulations also, the model follows the trend of experimental data showing that in the container of 2.9 mm diameter, as the content of -4+6 mesh (3.36-4.76 mm) particles increase, VBD increases. It can be concluded that a well-tailored DEM model is capable of predicting the particle rearrangement and density evolution during the vibration process.

La résolution d'un problème d'interaction gravier-enrobé bitumineux dans les barrages en remblai avec des noyaux bitumineux nécessite la connaissance du comportement des interfaces entre ces deux matériaux. Ce travail constitue une contribution dans ce sens. Des échantillons ont été confectionnés dans le laboratoire en utilisant des pierres concassées dont la granulométrie est médiane et un enrobé bitumineux caractéristique de la Romaine 2. L’appareil de cisaillement direct a été utilisé pour réaliser les essais sur ces échantillons sous une contrainte normale constante. En plus de l’effet de la contrainte normale appliqué, les influences de différents paramètres tels que la température, la vitesse de cisaillement et le pourcentage de bitume de l’interface ont été explorés. La conclusion majeure que l’on peut tirer de ces essais est que le comportement de l’interface susmentionnée est dominé par l’enrobé bitumineux et que l’enveloppe de rupture de cette interface, dans des conditions de vitesse de cisaillement très faible ou de température très élevée, passerait par l’origine et ayant un angle de frottement égal à 38.7°. Mots clés Interface; gravier-enrobé bitumineux ; Cisaillement direct ; vitesse de cisaillement ; température; enveloppe de rupture; barrage en remblai avec de noyau bitumineux. / The resolution of the problem of interaction gravel-asphalt in embankment dams with bituminous cores requires the knowledge of interfaces behavior between these two materials. This work is a contribution in this direction. Specimens were made in the laboratory using crushed stones owing a median particle size distribution and a characteristic asphalt of the Romaine 2. The direct shear device was used to perform the tests on these samples under a constant normal stress. In addition to the effect of applied normal stress, the influences of various parameters such as temperature, shear rate and the percentage of bitumen in the interface were explored. The major conclusion that can be drawn from these tests is that the behavior of the aforementioned interface is dominated by the asphalt and the failure envelope of this interface in conditions of very low shear rate or very high temperature, passes through the origin with a friction angle equal to 38.7 °. Keywords Interface; gravel-asphalt; direct shear; shear rate; temperature; failure envelope; ACRD.

Le phénomène des glissements de terrain superficiels est jusqu'à maintenant malcompris. Cependant, les pluies diluviennes du Saguenay en juillet 1996 qui déclenchèrent plus d'un millier de glissements de ce type-là et provoquèrent de lourds dégâts ont attiré l'attention sur ce phénomène. Le ministère des transports du Québec et le département de génie géologique de l'Université Laval ont déjà mené plusieurs études sur ce sujet. Afin d'améliorer les connaissances déjà acquises, cette étude a pour but de réaliser la caractérisation mécanique de la croûte argileuse de Maskinongé et de déterminer l'influence du degré de fissuration sur la résistance de cette argile. Pour cela un programme en laboratoire a été défini sur des échantillons provenant de ce site permettant de déterminer les différents paramètres d'états et d'observer le comportement de ce matériau dans une cellule soumis à différents états de contraintes. L'analyse des données acquises a permis de mettre en évidence un certain nombre de remarques concernant l'enveloppe de rupture de l'argile de Maskinongé selon qu'il soit dans un état intact ou fissuré. De plus, des essais de cisaillement à contrainte déviatorique constante ont permis d'observer l'influence du cheminement de contrainte sur l'enveloppe de rupture.

La déformation en trois dimensions est calculée pour des globules rouges prisonniers à l'aide de trappes optiques dans le cadre de théories analytique et numérique d'élasticité membranaire. Comme la distribution de stress radiale à la membrane est couplée à la déformation de celle-ci, nous calculons cette distribution de stress sur le globule déformé et obtenons les déformations subséquentes itérativement en utilisant une méthode d'élément fini numérique. Ce principe doit s'appliquer jusqu'à ce que l'équilibre final soit atteint entre la distribution de stress et la déformation de la membrane. L'expérience est produite avec des globules rouges soumis à une pression osmotique pour qu'ils prennent une forme sphérique et en suspension dans le médium. L'élasticité de la membrane est obtenue en comparant les résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Cette approche a la particularité de pouvoir être appliquée à de larges déformations et étendue à d'autres particules soumises à des trappes optiques.

Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées. / This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.

Les tendons sont des tissus qui réagissent aux stimuli mécaniques externes. Des stimulations mécaniques inadéquates imposées au tendon engendrent des lésions dans le tendon. Plusieurs études ont été réalisées pour comprendre la mécanobiologie des tendons. Celles-ci ne sont malheureusement pas complètes. Le but de ce projet de maîtrise était donc d'approfondir nos connaissances des mécanismes régissant l'évolution du tendon suite à certaines stimulations mécaniques. Précisément, l'objectif de cette maîtrise était de découpler les trois modes d'évolution (l'amélioration, la dégradation mécanique et la dégradation enzymatique de la matrice extracellulaire) pour deux types de chargement: une sous-stimulation et une sur-stimulation mécanique. Pour chacune de ces deux conditions de stimulation, nous avons étudié la variation de l'état du tendon pour trois types de condition de culture du tendon: (1) D-PBS avec inhibiteurs de protéases, (2) milieu de culture avec inhibiteurs de protéases et (3) milieu de culture sans inhibiteurs de protéases. Cela a permis de mettre en lumière les trois modes de d'évolution individuellement. En effet, l'évolution de l'état du tendon peut être approximée par l'équation suivante: évolution = DM - DE + A où DM = dégradation mécanique, DE = dégradation enzymatique et A = amélioration. Avant de pouvoir effectuer ces expériences, nous avons élaboré des protocoles de caractérisation et de stimulation mécanique minutieux. Ces protocoles devaient assurer un contrôle des conditions de culture (ex.: contamination, condition de culture stable,...), des stimulations et des caractérisations mécaniques (ex.: changement du milieu de culture, test de relaxation, test dynamique,...). De cette façon, nous nous assurions que les paramètres de notre expérience n'influençaient pas nos résultats. L'étude, a principalement montré que la contribution relative des trois mécanismes d'évolution diffère selon le type de stimulation imposée.

La réutilisation et la valorisation de débris de démolition sont un enjeu très important pour l’industrie de la construction, particulièrement au Canada où un grand nombre d’infrastructures arrivent à la fin de leur cycle de vie. Bien que les débris de démolition soient déjà utilisés dans la construction de sous fondations de routes, ceux-ci sont très peu utilisés dans la confection de nouveaux bétons. Ce projet de recherche vise à évaluer le potentiel d’utilisation d’un matériau recyclé à base de débris de démolition dans la confection de nouveaux bétons de résistance moyenne destinés à la construction résidentielle. Le matériau recyclé utilisé dans le cadre de cette étude est un matériau de classe MR-2, composé en majorité de résidus de béton concassé. Cette étude consiste en l’analyse des propriétés des granulats de béton recyclés ainsi que leur impact sur les propriétés des bétons dans lesquels ils sont utilisés en remplacement des granulats naturels. En plus des essais classiques tels que l’analyse granulométrique, la mesure de la masse volumique, de l’absorption et l’essai Los Angeles, la caractérisation des granulats recyclés à permis de mesurer la teneur en mortier résiduel ainsi que la vitesse d’absorption. Les résultats de cette phase ont permis d’adapter la méthode de préparation des bétons confectionnés lors de l’étude paramétrique sur béton. En effet, lors de la confection des bétons, une période de pré-saturation des granulats a été ajoutée au protocole de malaxage afin de minimiser l’impact de la grande porosité des granulats recyclés sur les propriétés à l’état frais du béton. Dans le cadre de l’étude paramétrique, des formulations de béton ayant des rapports eau/liant (E/L) de 0,55 et 0,65 ont été préparées à des taux de remplacement des granulats naturel par des granulats recyclés variables. La résistance à la compression, la résistance à la traction, la résistance à la flexion et le module d’élasticité ainsi que les propriétés de durabilité, notamment, la perméabilité aux ions chlores, le retrait de séchage, la résistance au gel-dégel et la perméabilité à l’eau ont été évaluées pour les mélanges de bétons confectionnés. Les travaux de cette phase ont permis de quantifier l’impact des différents taux de remplacement sur les propriétés des bétons. Bien que le remplacement du granulat naturel par un granulat recyclé ait généralement un impact négatif sur certaines propriétés du béton, il est possible de minimiser ou même d’éliminer celui-ci en optimisant le taux de remplacement. En effet, cette étude a démontré qu’un taux de remplacement de 20% ou même de 35% dans certains cas ne cause pas ou très peu d’impacts négatifs sur les propriétés du béton.

Les matériaux composites sont utilisés dans beaucoup de domaines pour leurs propriétés mécaniques spécifiques, leur mise en forme facile et leur bas coût. Cependant, lorsque les composites pétro-sourcées sont en fin de vie, le traitement des déchets a un fort impact environnemental. C’est pour cette raison que les industriels se tournent vers des matériaux bio-sourcés. Ils souhaitent ainsi abaisser le coût des matières premières mais aussi se donner une image plus « verte » grâce à l’utilisation de matériaux renouvelables et/ou compostables. Le projet présenté s’inscrit dans dans cette optique où il est question d’élaborer de nouveaux composites à renfort et matrices bio-sourcés et tout particulièrement des composites fibre de lin/acide polylactique (PLA). Ces derniers sont généralement appelés bio-composites. L’originalité de cette étude réside dans le traitement des fibres de lin afin de les compatibilité avec la matrice PLA. Le traitement consiste au greffage de dioxyde de titane sur la surface de fibres de lin fonctionnalisée par oxydation au TEMPO. Ces fibres longues sont ensuite utilisées comme renfort sous forme de tissu unidirectionnel dans la matrice PLA. Le comportement mécanique en traction, flexion et la résistance à l’impact de ces biocomposites sont étudiés afin d’analyser l’influence du traitement des fibres sur leur performances.

Le comportement mécanique d'un alliage nickel-chrome (Ni20Cr) a été étudié en fonction du nombre de grains dans l'épaisseur, et dans une moindre mesure de l'épaisseur, à l'aide d'essais mécanique statiques à température ambiante ainsi que d'observations en microscopie électronique à transmission (MET). L'objectif principal est de caractériser les mécanismes à l'origine de la transition volume/surface du comportement mécanique observée. Une première série d'échantillons est d'épaisseur constante (1,6 mm) mais de diamètre moyen de grains variable. L'hypothèse de l'influence du nombre de grains dans l'épaisseur qui se dégage des observations effectuées est examinée à l'aide d'une seconde série d'échantillons d'épaisseur variable (125 mm et 250 mm). Les microstructures des deux séries est par ailleurs caractérisée par EBSD et MEB démontrant leur similitude. Il ressort que la réduction du nombre de grains dans l'épaisseur en deçà d'un seuil critique, indépendamment de la série, conduit à une modification notable des caractéristiques du glissement plastique ainsi que des contraintes internes. Le comportement mécanique n'est plus alors polycristallin mais multicristallin voire quasi-monocristallin pour les très faibles nombres de grains dans l'épaisseur. L'émergence d'effets de surfaces pourrait expliquer ce phénomène. Parallèlement, compte tenu du caractère technologique du matériau étudié, quelques essais mécaniques en température (traction, fluage) ont été réalisés à la lumière des résultats précédents.

Un des objectifs de la restauration structurale, sujet de cette thèse, est de mettre en évidence les défauts d'interprétation ou les zones potentiellement fracturées. L'extension de cette technique en volume nécessite la définition a priori des propriétés des matériaux utilisés, notamment lorsque ces propriétés sont définies à une échelle fine. Une première partie, ce travail propose une méthode de mise à l'échelle des propriétés mécaniques utilisées pour les calculs de restauration en volume. La principale hypothèse repose sur la loi de comportement utilisée pour les matériaux définis à l'échelle grossière, supposés isotropiques transverses élastiques. Le calcul des propriétés équivalentes se fait par identification, après simulation par Éléments Finis. Cette technique a l'avantage d'assurer la conservation de l'énergie pour le même type de chargement. Dans une dernière partie, ce travail traite la gestion de la tectonique salifère lors de la restauration structurale. Les diapirs de sel présentent des topologies, des rhéologies, et des séquences de dépôt très caractéristiques. Ce mémoire présente une méthodologie de restauration multi-cartes, dont la prise en compte des relations inter-horizons est respectée dans les séquences halocinétiques. Une application de cette méthode est présentée sur le bassin de La Popa (Mexique) où les différentes interprétations réalisées au travers de leurs restaurations sont comparées