Combiner les avantages des nanoparticules d'argile et celles d'une phase élastomère dispersée peut conduire à de meilleures propriétés mécaniques. L'amélioration à la fois des propriétés mécaniques en traction (module, contrainte et déformation à la rupture) et des propriétés au choc (résistance et énergie de rupture) peut conduire à de nouvelles applications industrielles. Cependant, le renforcement d'une matrice polymère ductile par des charges minérales classiques se traduit de manière quasi-systématique par une fragilisation importante de celle-ci. Les nanocomposites utilisant comme renforts des microplaquettes d'argile permettent une approche originale de ce problème de la fragilité du fait de la taille des renforts, de leur dispersion, de leur surface spécifique élevée et des possibilités de fonctionnalisation des surfaces. Les nanocomposites à matrice polypropylène renforcés par un type de nanoparticules d'argile sont mis en œuvre à l'état fondu dans un mélangeur interne. L'ajout d'oligomères fonctionnalisés favorise la dispersion de l'argile dans le polypropylène. Une exfoliation partielle est ainsi obtenue par cisaillement intense d'un milieu hautement visqueux. Grâce à leur facteur de forme (longueur sur épaisseur) très élevé (>100), des fractions volumiques de particules inorganiques aussi basses que 2-3% suffisent pour engendrer un réseau de particules percolant conférant au nanocomposite final des propriétés mécaniques comparables aux composites classiques chargés par 30 à 50% de fibres de verres, sans altérer grandement la densité et la transparence de la matrice. Par ailleurs, même si on augmente le module et éventuellement la contrainte à la rupture, les propriétés au choc et la déformation à la rupture se trouvent diminuées. En revanche, dans le domaine des polymères, l'ajout d'une phase élastomère améliore les propriétés au choc et augmente la déformation à la rupture. Cette amélioration se fait au détriment du module qui diminue en fonction de la teneur en phase élastomère. La dispersion est analysée par diffraction des rayons X et microscopie. Les matériaux sont soumis à des essais mécaniques en traction et au choc.

Des simulations numériques thermomécaniques sont nécessaires afin de prédire l'apparition des déchirures à chaud, survenant en fin de solidification, dans les procédés de coulée directes des alumineries. Toutefois, ces simulations nécessitent plusieurs intrants notamment des propriétés mécaniques et des lois de comportement à différentes températures. Pour ce projet, un analyseur mécanique dynamique est utilisé afin de caractériser ces intrants pour un alliage d'aluminium 5182 (4.5pds% Mg). L'analyse dynamique en flexion est utilisée pour la première fois afin d'étudier l'évolution du module élastique avec la fraction liquide dans la microstructure. Également, des séries d'essais de fluage sont effectuées en mode traction afin de proposer des lois de comportement. L'utilisation d'un modèle de calcul de parcours de solidification considérant la rétrodiffusion permet d'estimer la fraction liquide en cours d'essais selon la température. Les éprouvettes utilisées pour les différents essais mécaniques ont été usinées à partir d'un lingot d'aluminium 5182 coulé par le procédé de coulée directe. Afin d'étudier l'effet de la microstructure, des éprouvettes ont été usinées à partir de trois positions selon la largeur du lingot. Plus l'éprouvette provient d'une position près de la surface et plus la microstructure est affinée. Les microstructures fines semblent être moins rigides lorsque du liquide est présent dans la microstructure. Également, trois taux de chauffe ont été étudiés pour les analyses dynamiques (10⁰C/min, 20⁰C/min et 30⁰C/min). La température du solidus diminue avec l'augmentation du taux de chauffe puisque l'homogénéisation partielle lors de la chauffe est moins importante. Un plan d'expérience a été effectué pour les essais de fluage avec des éprouvettes provenant de deux positions dans le lingot (surface, centre), testées à trois niveaux de températures(555⁰C, 560⁰C, 565⁰C) et à deux niveaux de contraintes (0.25MPa et 0.50 MPa). Cinq comportements en fluage ont été observés : un fluage uniforme, une fissuration partielle, une localisation suivie d'une rupture, une rupture fragile et un retour de la déformation. Des températures élevées et des contraintes élevées augmentent la prévalence des localisations et des ruptures tandis que les retours de la déformation ne sont observés qu'à plus basse température avec une faible contrainte. Les courbes de fluage uniforme et de fissuration partielle ont été modélisées par des lois de comportements mécaniques. / Numerical thermomechanical simulations are necessary to predict the occurrence of hot tears, occurring at the end of solidification, in direct casting processes of aluminum smelters. However, these simulations require several inputs including mechanical properties and behavior laws at different temperatures. For this project, a dynamic mechanical analyzer is used to characterize these inputs for an aluminum alloy 5182 (4.5wt% Mg). Dynamic bending analysis is used for the first time to study the evolution of the elastic modulus with the liquid fraction in the microstructure. Also, series of creep tests are performed in tensile mode to propose behavioral laws. The use of a calculation model of solidification path considering the back diffusion allows to estimate the liquid fraction during the tests according to the temperature. The specimens used for the various mechanical tests were machined from a AA5182 ingot cast by the direct casting process. In order to study the effect of the microstructure, test specimens were machined from three positions according to the width of the ingot. The closer the specimen is to the surface, the more refined the microstructure. The fine microstructures appear to be less rigid when liquid is present in the microstructure. Also, three heating rates were studied for dynamic analyses (10⁰C/min, 20⁰C/min and 30⁰C/min). The solidus temperature decreases with increasing heating rate since the partial homogenization during heating is smaller. A design of experiment was performed for creep tests with test specimens from two positions in the ingot (surface, center), tested at three temperature levels (555⁰C, 560⁰C, 565⁰C) and at two stress levels (0.25MPa and 0.50 MPa). Five creep behaviors were observed: uniform creep, partial cracking, localization followed by failure, brittle failure, and deformation recovery. High temperatures and high stresses increase the occurrence of localization and failure while deformation recovery is observed only at low temperatures and stresses. The uniform creep and partial cracking curves were modeled by mechanical behavior laws.

La capacité des cellules à s'adapter au stress mécanique est essentielle. Cependant, peu est connu sur les forces relatives qui s'exercent de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Ce projet a pour but de montrer que ces forces peuvent être mesurées avec l'aide de la microscopie de force photonique (MFP). Une contrainte mécanique est appliquée par une trappe optique via une bille de polystyrène. Cette bille est attachée à la cellule grâce aux points d'adhésion focaux. La mesure de la force est effectuée quand la bille est en position d'équilibre entre la force photonique et la tension cellulaire. La réponse du système a été comparée à une simulation numérique. Nous avons observé une augmentation de la déformation des cellules H4 suite à un traitement à la cytochalasineD. Cette observation corrèle avec une diminution de la force observée en MFP. Dans l'ensemble, nos résultats montrent qu'il est possible d'évaluer quantitativement la tension intracellulaire par MFP. / The ability of cells to sustain mechanical stress is essential. It is however not very well understood how tension is expressed from the inside of the cell to the exterior. Here we show that these forces can be measured by photonic force microscopy (PFM). Forces are applied to the cell by an optical trap through a polystyrene bead attached to the cell. The reaction of the cell is monitored when the bead is in an equilibrium state between the photonics forces and the membrane elasticity and cell stiffness. The calibration of the system was compared with numerical simulation. We observed increased deformation of H4 cells treated with cytocholasin D. This observation is correlated to an overall decrease in the force by the photonic force microscope. Our results suggest that cell stiffness can be assessed by the PFM, which allows quantification of a tension within cells with sufficient precision.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d’une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l’orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d’autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L’orientation des fibres est prise en compte à partir d’une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n’importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en oeuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d’un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l’utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l’Université Laval de Québec et l’autre à l’Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d’essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l’ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d’amélioration et de complément de développement ont été identifiées. / This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Québec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproducethe overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified.

L’objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites structuraux à base de polypropylène et de mousse. La première partie est consacrée au renforcement du polypropylène avec des fibres de chanvre en étudiant l’effet de la concentration de la fibre, de la taille des fibres et de la concentration en agent de couplage sur les propriétés mécaniques. Une étude morphologique par photomicrographies a permis d’expliquer les résultats mécaniques en tension et flexion. On montre que 2% d’agent couplant est suffisant pour optimiser les modules. Dans la deuxième partie, des mousses de polypropylène sont produites par compression avec différentes concentrations d'agent gonflant afin de déterminer l’effet de la réduction de densité et du profil de densité sur les propriétés en tension et flexion. Une caractérisation complète de la morphologie des mousses en termes de taille de cellules, de densité de cellules et d’épaisseur de la peau est faite. L'utilisation du profil de densité est nécessaire afin d’obtenir une bonne prédiction des propriétés mécaniques. Finalement, des structures sandwich avec différents pourcentages de peau et de densité de cœur sont produites. Une analyse morphologique du cœur est rapportée avec les propriétés mécaniques en tension et flexion. On montre qu’une très bonne prédiction peut être faite en utilisant simplement la loi des mélanges et le modèle quadratique avec le profil de densité pour l’effet de la peau et du cœur, respectivement. / The aim of this work is to produce and characterize polypropylene structural composite foams. To do so, the work is divided in three parts. The first part is devoted to study the reinforcement of polypropylene with hemp fibres by changing the fibre content, fibre size and coupling agent concentration. Micrographs are used to explain the results of the mechanical properties measured under tensile and flexural stress. It is found that 2% of coupling agent gives the optimum modulus values. In the second part, polypropylene foams are produced by compression moulding with different concentrations of blowing agent to determine the effect of density reduction and density profile on the tensile and flexural properties. The morphological characteristics (cell size, cell density and skin thickness) of the foams are also examined. It is found that the use of the complete density profile is necessary to predict with high precision the mechanical results. Finally, sandwich structures are produced with different skin ratio and core densities. A complete morphological analysis is reported with mechanical properties (tensile and flexural). It is shown that the simple law of mixture and the square power-law combined with the density profile are enough to predict the effect of the skins and core, respectively.

L'objectif principal de cette étude a été d'établir l'effet de la teneur en humidité d'équilibre sur les propriétés du bois à deux niveaux de température. Deux espèces feuillues tempérées ont été étudiées, soit le bouleau jaune et le hêtre à grandes feuilles. La région près du point de saturation des fibres (PSF) a été particulièrement visée. Deux méthodes de désorption d'humidité aux températures de 25ʻC et 50ʻC ont été appliquées, soit la méthode des solutions salines saturées et celle de la membrane poreuse sous pression. Celles-ci ont été couplées avec des mesures du retrait ainsi qu'à des essais de compression tangentielle. Les résultats ont montré qu'à l'équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant même d'atteindre le PSF. Alors, ces résultats indiquent qu'une perte de l'eau hygroscopique a lieu en présence d'eau liquide. L'eau liquide qui reste à ce moment serait localisée dans les tissus les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. Une augmentation de la température augmenterait la perméabilité de ces tissus en facilitant la désorption de l'eau restante. Ainsi, la teneur en humidité d'équilibre marquant le début des changements des propriétés du bois diminue avec une augmentation de la température. Cette valeur se rapprocherait ainsi du PSF au fur et à mesure que la température s'élève. De plus, le retrait du bois de hêtre à 50ʻC semble avoir été affecté par un léger collapse localisé dans les zones plus faibles du bois. Enfin, l'hygroscopicité et les propriétés mécaniques du bois ont été plus faibles à 50ʻC qu'à 25ʻC.

Les lames de plancher d’ingénierie (LPI) sont des composites multicouches à base de bois. La structure en couches croisées est conçue pour donner aux LPI une bonne stabilité dimensionnelle pendant les changements de conditions environnementales. Toutefois, pendant la saison d’hiver en Amérique du Nord, l’humidité relative dans les habitations peut descendre de façon significative et générer une déformation en tuilage de LPI importante. L’amplitude de cette déformation dépend des propriétés physiques et mécaniques de chaque couche et du changement d'humidité. Le contreplaqué est largement utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. L’industrie canadienne des lames de plancher utilise couramment le contreplaqué de bouleau baltique (CBB [russe et finlandais]) dans leurs constructions de LPI haut de gamme. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer un panneau OSB (Oriented Strand Board) spécial afin de remplacer le contreplaqué utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. Les objectifs spécifiques de ce travail de recherche étaient de développer un panneau OSB spécial en vue d’être utilisé comme substrat dans les LPI, de fabriquer et évaluer des prototypes de LPI en utilisant ce substrat, de comparer les propriétés de ces prototypes avec celles d’autres LPI usuels et de caractériser les contraintes développées dans les LPI jusqu’à l’apparition des délaminations. Des panneaux OSB composés de trois couches ont été fabriqués à partir de deux types de lamelles de bois : un mélange de 90% de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.) et 10% de bouleau à papier (Betula papyrifera Marsh.) et 100% de pin ponderosa (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). Une expérience factorielle a été utilisée pour évaluer l’effet de trois facteurs de fabrication sur les propriétés des panneaux. Les facteurs choisis ont été la teneur en adhésif, le profil de densité et le rapport entre les couches de surface et la couche médiane. Afin de choisir les meilleures combinaisons de trois facteurs, des tests de flexion, de cohésion interne et de gonflement en épaisseur ont été effectués pour chaque type de panneaux. Des prototypes de LPI ont été fabriqués en utilisant comme substrat : l’OSB grade sheating, l’OSB web stock, le contreplaqué russe et les deux types de panneaux d’OSB spéciaux. Ces prototypes ont été testés dans une chambre de conditionnement. Les constructions de LPI ayant un substrat en contreplaqué russe ont présenté les plus faibles valeurs en tuilage. Des différences non significatives ont été observées entre les LPI utilisant comme substrat le contreplaqué russe et le panneau OSB fabriqué à partir du mélange peuplier/bouleau. Cependant, des délaminations dans le substrat en OSB ont été observées après le test en chambre de conditionnement. La modélisation par éléments finis a été utilisée afin de caractériser les contraintes développées dans le substrat de LPI pendant les changements de teneur en humidité. Les propriétés mécaniques et physiques du substrat en OSB nécessaires à la modélisation ont été déterminées expérimentalement sur des panneaux OSB avec un profil de masse volumique aplati. La modélisation par éléments finis a été réalisée à l’aide du code MEF++. Une bonne corrélation a été trouvée entre la déformation en tuilage de LPI mesurée en chambre de conditionnement et celle calculée par le modèle. Le champ de contraintes simulé correspond aux délaminations observées sur les échantillons de LPI. Les résultats obtenus, montrent la faisabilité d’utiliser le panneau OSB comme substrat dans la fabrication de LPI. / Engineered wood flooring (EWF) is a multilayer composite flooring product. The cross layered structure is designed to give EWF good dimensional stability under transient environmental conditions. However, during winter season in North America the indoor relative humidity could dramatically decrease and generate an important cupping deformation. The magnitude of this distortion depends on the physical and mechanical properties of each layer and moisture content changes. Baltic Birch Plywood (BBP [Russian and Finnish]) is widely used as substrate in the high quality EWF products, especially by Canadian manufacturers. The overall objective of this study was to develop an oriented strand board (OSB) as a substitute for the plywood used as a substrate for EWF. The specific objectives of this project were to develop a special OSB formulation to be used as a substrate for EWF; to manufacture and evaluate the EWF prototypes made with this substrate, to compare the prototype properties with those of commonly-used EWF; and to characterize the stresses developed in the substrate until delamination appears. Three-layers oriented strand boards were manufactured from two types of strands: a mixture of 90% aspen (Populus tremuloides Michx.) and 10% paper birch (Betula papyrifera Marsh.), and 100% ponderosa pine (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). The OSB panels were fabricated following a factorial design of three resin contents, two vertical density profiles, and three weight ratios of the face and core layers. In order to choose the best combinations of the three factors, tests to determine bending properties, density, internal bond and thickness swelling were performed for each type of panel. Prototypes of EWF were made using five types of substrates: BBP, sheathing grade OSB, web stock OSB and the two prototypes of specialty OSB panels. The tests in conditioning chamber showed that BBP substrate constructions present the lowest distortion between humid and dry conditions. There were no significant differences in the distortion measured for BBP and aspen/birch OSB substrates. However, delaminations were observed in the OSB substrate after the test in conditioning chamber. A finite element model was used in order to characterize stresses developed in the EWF substrate in transient moisture content conditions. The physical and mechanical properties of OSB substrate were experimentally determined in laboratory on the OSB panels with a flat density profile. The finite element (FE) modeling was performed using the FE code MEF++. Good agreement has been found between the numerical and experimental EWF cupping deformation. The high stress regions in the distribution correspond to the delaminations observed on the OSB substrate. The results of this work demonstrate the potential of OSB to be used as substrate in EWF construction.

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.

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.