La Réaction Sulfatique Interne (RSI) est une pathologie du béton pouvant affecter les matériaux soumis à un échauffement au-delà de 65°C. Elle consiste en une formation d'ettringite dans le matériau durci et conduit à son gonflement. Il s'en suit une fissuration et une dégradation des performances mécaniques pouvant poser des problèmes d'intégrité structurelle à l'instar de la Réaction Alcali-Granulat (RAG) à laquelle elle est fréquemment couplée in situ. Lorsqu'un ouvrage est atteint, il convient de poser un diagnostic, évaluer son aptitude au service, prédire son évolution et mettre en uvre des méthodes de réparation. Ceci nécessite une compréhension fine des effets de la RSI à l'échelle microscopique et à l'échelle de l'ouvrage. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées pour déterminer les mécanismes mis en uvre et les paramètres influençant la RSI. Toutefois, la complexité des phénomènes rend délicate la transposition de ces connaissances à l'échelle de la structure. Les approches macroscopiques semblent donc plus adaptées à ce type de problème. Pour mettre au point ces approches, il est nécessaire de comprendre en détail les effets de la pathologie à l'échelle du matériau et de la structure. Cette thèse décrit les résultats d'une étude de laboratoire basée sur des essais sur éprouvettes pour caractériser les couplages entre les gonflements et l'humidité, la température et l'état de contraintes. Ces travaux ont également été l'occasion d'étudier les couplages entre RAG et RSI. En parallèle, des suivis dimensionnels et hydriques de poutres soumises à des conditions d'exposition à l'humidité contrôlées ont permis de constituer une base de données des effets structurels de la RSI. La confrontation de ces essais menés conjointement à l'échelle du matériau et de la structure fournit des données permettant de mettre au point des méthodes de re-calcul des ouvrages et de les valider en confrontant leurs prédictions aux résultats expérimentaux

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau qui est considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite ou une céramique suivant ses applications en microélectronique ou comme matériau nucléaire. Dans ces deux domaines d'application les défauts générés par l'implantation/irradiation d'ions (dopage, matériau de structure) doivent être contrôlés. Ce travail est une étude des défauts générés par l'implantation de gaz rares suivant les conditions d'implantation (fluence et température). La déformation élastique a plus particulièrement été étudiée dans le cas d'implantation de xénon à des températures pour lesquelles la recombinaison dynamique empêche la transition amorphe. Un modèle phénoménologique basé sur le recouvrement des cascades a été proposé pour comprendre l'évolution de la déformation maximale avec la dose. Des observations complémentaires en particulier par microscopie électronique à transition nous ont permis de préciser la nature des défauts créés et d'étudier leur évolution sous recuit. La formation de cavités a été observée pour des conditions sévères d'implantation/recuit ; ces cavités sont de nature différente (vide ou pleine) suivant la répartition du xénon. Cette étude est également reliée aux propriétés de gonflement sous irradiation, gonflement qui doit être anticipé dans les domaines d'application du SiC. / Silicon carbide is a material that can be considered as a wide band gap semiconductor or as a ceramic according to its applications in microelectronics and in nuclear energy system (fission and fusion). In both fields of application defects or damage induced by ion implantation/ irradiation (doping, material structure) should be controlled. This work is a study of defects induced by noble gas implantation according to the implantation conditions (fluence and temperature). The elastic strain buildup, particularly in the case of xenon implantation, has been studied at elevated temperatures for which the dynamic recombination prevents the amorphization transition. A phenomenological model based on cascade recovery has been proposed to understand the strain evolution with increasing dose and for different noble gases. In addition, with the help of transmission electron microscopy the evolution of defects under subsequent annealing was studied. The formation of nanocavities was observed under severe implantation/annealing conditions. These cavities are of different nature (full of gas or empty) according to the xenon and damage distribution. This study is also linked to swelling properties under irradiation that should be projected in the SiC application fields.

La migration de l’eau est un sujet générique dans divers domaines dont l'analyse permet de mieux comprendre les propriétés rhéologiques, sensorielles et de conservation des produits au cours du temps. Les apports de la relaxométrie et de la micro-imagerie par RMN dans ce domaine sont larges et d’un intérêt majeur au vue des caractéristiques non-invasives, non-destructives et quantitatives de ces méthodes, utilisables alors que le produit est en cours de transformation. Deux méthodologies ont été développées afin d’étudier les transferts de protons sur une large gamme de temps et de distance. La première a consisté à implémenter de nouvelles méthodes d’acquisition et de traitement du signal de RMN à bas champ (20 MHz) en 2D pour corréler non seulement les temps de relaxation T1 et T2 mais également les coefficients de diffusion translationnelle D et T2 sur des échantillons modèles amidon-eau de diverses origines botaniques (blé, pomme de terre et maïs cireux). Les mesures 2D se sont révélées suffisamment robustes pour quantifier les transferts de protons de l’eau et des polymères d’amidon pendant leur gonflement, leur gélatinisation et leur rétrogradation. Une approche complémentaire en micro-imagerie par RMN (500 MHz) a consisté à mesurer au cours du temps des profils de concentration de l’eau pénétrant sur plusieurs millimètres dans un extrudé d’amidon de pomme de terre contenant du glycérol. La diffusion de transport de l'eau et le taux de gonflement de l’extrudé ont été quantifiés à 22°C pendant plus de 20h. / Water migration is a generic subject in various fields, the analysis of which makes it possible to better understand the rheological, sensory and conservation properties of products over time. The contributions of relaxation and NMR micro-imaging in the field are broad and of major interest in view of the non-invasive, non-destructive and quantitative characteristics of these methods, which can be used while the product is under processing. Two methodologies have been developed to study the transfers in a wide range of time and length. The first consisted in implementing new methods of acquisition and processing of the NMR signal in 2D at low-field (20 MHz) to correlate not only the relaxation times T1 and T2 , but also the translational diffusion coefficients D and T2 on starch-water model samples from various botanical origins (wheat, potato and waxy corn). The 2D measurements have proved sufficiently robust to quantify the transfers of protons from water and starch polymers during their swelling, gelatinization and retrogradation. A complementary approach by MR micro-imaging (at 500 MHz) consisted in measuring, over time, the water uptake on several millimeters in an extrudate of potato starch containing glycerol. The diffusion transport of the water and the rate of the extrudate swelling were quantified at 22°C for more than 20 hours.

Les turbines aéronautiques et terrestres utilisent comme matériaux de structure les superalliages à base nickel. Ils sont confrontés en utilisation à des environnements agressifs à très hautes températures, conduisant à l'usure et la corrosion, et à des sollicitations mécaniques qui entraînent fatigue et fluage. Pour permettre l'utilisation de ces matériaux dans des conditions toujours plus sévères de fonctionnement et augmenter la durée de vie des pièces, divers traitements de nitruration ont été proposés pour durcir la surface tout en conservant ou en améliorant la tenue mécanique et la résistance chimique. Les modifications induites par la nitruration, leur stabilité et l'influence de la microstructure initiale sont encore mal comprises dans ces matériaux complexes. Au cours de ces travaux, nous avons étudié les effets d'une nitruration assistée plasma en fonction de la microstructure et de la composition chimique des alliages. Différents types de superalliages à base nickel ont été choisis, de microstructures variées, comprenant éventuellement des précipités de type Ni3(Al,Ti,Nb) et/ou Ni3 (Nb). Nous avons alors caractérisé les modifications induites par l'introduction de l'azote dans les matériaux suite à un traitement de nitruration à basse température (400°C) : expansion de la maille, génération de contraintes résiduelles, comportement des précipités, formation de nitrures, plasticité, anisotropies... Les résultats obtenus suggèrent des effets différents selon la composition des précipités. Ces modifications structurales et leurs évolutions ont ensuite été étudiées lors d'un recuit à plus haute température (650°C) afin d'étudier la stabilité des couches formées. / Nickel-based superalloys are commonly used in pressurized water heat exchangers or in the hottest sections of aeroengines or industrial gas turbines, where they are subjected to high temperature and severe mechanical solicitations (fatigue, creep). To allow use of those materials in more and more difficult operating conditions and to improve their duration, different nitriding treatments have been proposed to harden the surface while maintaining or improving their mechanical strength and chemical resistance. However, modifications induced by nitriding, resulting stability in time and influences of the initial microstructure are still poorly understood in these complex materials. In this work, we investigated the behavior of plasma nitriding on superalloys according to their initial microstructure and chemical composition. Thus, different types of Nickel-based superalloys were selected with various microstructures, possibly including precipitates like Ni3(Al, Ti, Nb) and/or Ni3(Nb). Then, we have characterized the modifications induced by nitrogen introduction in the materials after nitriding treatment at low temperature (400°C): lattice expansion, generation of residual stress, precipitates behavior, nitrides formation, plasticity, anisotropy... The results suggest different behaviors depending on the composition of precipitates. Finally, these structural modifications and their evolutions have been studied during an annealing at higher temperature (650°C) in order to study the stability of the nitrided layers.

Les études de libération de substance active à partir de système polymériques tels que des microparticules à base d’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) ont été largement explorées au cours de ces dernières décennies . L’objectif principal de ce travail consiste à mieux comprendre les mécanismes de transport de masse contrôlant la libération de substance active à partir des microparticules de PLGA. Un nouvel aperçu devait être acquis sur la base de suivi expérimental de la cinétique de gonflement de microparticules. Dans un premier temps, des microparticules à base de PLGA chargées de différents types de substances actives (acide, base et neutre), tels que kétoprofen, prilocaine base libre et dexamethasone ont été préparées par simple émulsion (huile dans eau) en utilisant une méthode d'extraction/évaporation du solvant. Les microparticules obtenues avaient des taux d’efficacité d’encapsulation qui sont variables selon la substance active utilisée. Une caractérisation des propriétés clés des microparticules obtenues a été réalisée en utilisant différentes techniques (microscopie optique, microscopie électronique). La chromatographie par permeation de gel a été utilisé pour déterminer le poids moléculaire du PLGA après exposition des microparticules au milieu de libération à différents temps afin d’évaluer la cinétique de dégradation du polymère. La diffraction des rayons X et la calorimétrie différentielle à balayage étaient utilisés pour étudier l’état physique du polymère, de la substance active pure ainsi que les microparticules chargées en substance active. Les études de libération ont montré deux types de profils de libération : un profil tri-phasique et un profil plus ou moins mono-phasique. Le profil tri-phasique observé est constitué de trois phases : une phase de libération initiale rapide suivie d’une libération constante qui est suivie ; à son tour ; par une seconde phase de libération rapide. En revanche, les différentes phases étaient difficilement distinguées pour le deuxième type de profil obtenu, du fait de la libération rapide de substance active ce qui permet de dire que les profils obtenus étaient plus ou moins mono-phasique. L’élucidation des mécanismes de libération de substance active était basée sur le suivi expérimental de la cinétique de gonflement des microparticules. Comme pour les cinétiques de libération obtenues à partir des microparticules à base de PLGA, différentes phases peuvent être distinguées pour les profils de gonflement. Les transitions d’une phase à une autre semblent s’accorder entre le profil de libération et celui du gonflement. Ainsi, le gonflement des microparticules pourrait contribuer au contrôle de la libération de la substance active à partir des microparticules à base de PLGA. / The drug release studies from polymeric system such as Poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA)-based microparticles have been widely investigated during recent decades. The main objective of this work is to better understand the mass transport mechanisms controlling the drug release kinetics from PLGA microparticles. New insight was to be gained based on the experimental monitoring of the swelling kinetics of single microparticle. Initially, PLGA microparticles containing different type of drugs (acidic, basic and neutral), such as ketoprofen, prilocaine free base and dexamethasone were prepared using simple oil in water emulsion extraction/evaporation solvent technique. The characterization of the key properties of microparticles was performed using different techniques (optical microscopy, electron microscopy). The gel permeation chromatography was used to determine the molecular weight of PLGA following exposure of microparticles to the release medium at various times to assess the kinetic degradation of the polymer. The X-ray diffraction and differential scanning calorimetry were used to study the physical state of the polymer, drug and drug-loaded microparticles. Release studies have shown two types of release profiles: tri-phasic and more or less mono-phasic profile. The tri-phasic profile is composed of three phases: an initial rapid release phase followed by a constant release which is followed by a second phase of rapid release. In contrast, at the investigated higher initial drug loadings, different release phases could hardly be distinguished: The profiles were more or less mono-phasic. The elucidation of drug release mechanisms was based on the experimental results of the swelling kinetics of single microparticles. As for drug release, distinct phases can be distinguished for microparticles swelling. The transition from one phase to another seem to coincide for microparticle swelling and drug release. Thus also microparticle swelling might contribute to a significant extent to the control of drug release.

L'adhésion d'hydrogels sur surfaces minces de polymères a été étudiée de manière systématique au moyen d'un test de contact plan-plan réalisé en milieu immergé. A l'échelle moléculaire, l'adhésion macroscopique se traduit à l'interface [gel/surface mince] par la formation d'interactions spécifiques réversibles (liaisons hydrogène, interactions électrostatiques). Nous nous sommes interrogés sur les paramètres clés qui pilotent la formation de ces interactions en solution aqueuse. Nous avons ainsi établi l'importance de la composition de l'hydrogel (concentration initiale en polymère et taux de réticulation), du type d'interactions physiques mises en jeu à l'interface et de la distance d'interpénétration des chaînes de polymères sur la probabilité de créer des interactions au niveau de l'interphase volumique. Par ailleurs, les résultats des suivis cinétiques d'adhésion in situ au cours du gonflement des gels ont permis de quantifier la perte d'adhésion entre leur état de préparation et leur équilibre de gonflement, survenant même dans le cas de dilutions relativement faibles. En cause, la cinétique de formation d'interactions multiples à l'interface [gel/surface mince] plus lente à l'équilibre de gonflement qu'à l'état de préparation. Toutefois en combinant des énergies de liaisons physiques élevées (interactions électrostatiques) à une distance d'interpénétration plus grande et à des effets de dissipation élastique importants (gel mince de polymère comme surface mince), nous avons montré qu'il est possible d'améliorer considérablement l'adhésion du système immergé tout en maintenant l'énergie d'adhésion constante, même à l'équilibre de gonflement. / Adhesion of hydrogels on thin polymer surfaces has been studied systematically via an underwater flat-flat contact test. Macroscopic adhesion at the [gel/thin surface] interface is due to reversible and specific interactions (hydrogen bonds, electrostatic interactions) created at molecular scale. We wondered about the key parameters that control the formation of these interactions in aqueous solution. Thus, we have established the importance of the composition of the hydrogel (initial concentration of polymer and cross-linking ratio), of the nature of the physical interactions involved in the system and of the interpenetrating distance of polymer chains. Furthermore, the results of the kinetics studies of the evolution of adhesion properties during the swelling of the networks were helpful to quantify the loss of adhesion between state preparation and swelling equilibrium of hydrogels, occurring even in the case of relatively low dilution factors. The kinetics slowdown of the formation of multiple interactions at the [gel/thin surface] interface is involved in the decrease of the energy of adhesion measured at swelling equilibrium compared to state preparation.However by mixing physical bonds with higher energy (electrostatic interactions) at greater interpenetrating distance of chains and elastic dissipation effects (thin polymer gel as thin surface), we have significantly improved the underwater adhesion of the system, while retaining the energy of adhesion constant, even at swelling equilibrium.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les travaux de recherche réalisés, dans le cadre de la préparation de cette thèse ont pour objectif l’élaboration de nouveaux réseaux thermoréversibles biodégradables à base de polyglycolide (PGA) et d’hydrogels à base de polylactide (PLA) modifiés chimiquement au moyen du noyau furanique et du cycle maléimide. La réticulation du PGA, en suivant deux stratégies, en vue d’élaborer des réseaux thermoréversibles et biodégradables via la réaction de Diels-Alder a fait l’objet de la première partie de ce travail. Le but était entre autres de valoriser le PGA en conduisant à des structures réticulées avec des propriétés mécaniques requises tout en améliorant ses propriétés de stabilité. Des réseaux hybrides de PLA/PEG et PLA/PHEMA ont été ensuite synthétisés en phase fondu en adoptant la réaction de Diels-Alder comme mécanisme de réticulation. Une fois obtenus, leur mise au contact de l’eau conduit à la formation d’hydrogels. Les analyses structurales menées par RMN ont permis de confirmer la formation des structures attendues. La thermoréversibilité des réseaux obtenus a été montrée par des analyses rhéologiques. La morphologie des gels avant et après gonflement a été analysée par Microscopie Electronique à balayage. La dégradabilité des réseaux préparés a été examinée selon deux modes : hydrolytique et par les microorganismes en milieu aérobie. / The research conducted for the preparation of this thesis aims to develop new thermoreversible and biodegradable polyglycolic-acid (PGA) based networks and polylactic-acid (PLA) based hydrogels, from polymers chemically modified by means of furanic, and maleimide cycle. The cross-linking of PGA to develop thermoreversible and biodegradable networks via the Diels-Alder reaction has been done by following two strategies and was the first part of this work. The aim was, among other things, to enhance the PGA by leading to reticulated structures with required mechanical properties while improving its stability properties. Hybrid networks of PLA / PEG and PLA / PHEMA were then synthesized in the melt by adopting the Diels-Alder reaction as a crosslinking mechanism. Once obtained, their contact with water leads to the formation of hydrogels. NMR structural analyzes confirmed the formation of expected structures. The thermoreversibility of the obtained networks has been shown by rheological analyzes. The morphology of the gels before and after swelling was analyzed by Scanning Electron Microscopy. The degradability of prepared networks was examined in two modes: hydrolytic and aerobic by microorganisms.

La batterie lithium ion est la technologie de stockage d’énergie la plus répandue dans l'industrie automobile. Assurer sa haute efficacité, sa puissance, sa capacité, sa sécurité et son endurance présente un défi pour plusieurs chercheurs et industriels. En effet, une batterie est un système complexe renfermant plusieurs composants et soumis à divers risques de dégradations d’origines chimiques, mécaniques et électriques, se manifestant même dans les conditions normales de fonctionnement. Cependant, la batterie devrait assurer ses fonctions pour un grand nombre de cycles de charge et de décharge et continuer à servir sans que ces dégradations influencent sa performance globale. L’une des dégradations principales et inévitables est son gonflement qui induit une discontinuité électrique et une perte de sa capacité.En effet, le gonflement est un phénomène multi-physique qui fait intervenir l’électrochimie, la mécanique et la thermique. D’une part, une batterie lithium-ion est basée sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative. Le processus d’insertion de l’ion dans les particules de l’électrode aboutit à un changement volumique significatif réversible de la batterie pour chaque cycle de charge/décharge. Cette variation de volume mène à la formation de contraintes quand la batterie est maintenue dans un pack rigide empêchant ou limitant sa déformation. D’autre part, la formation d’une couche à l’interface particule-électrolyte (SEI) suite aux réactions parasites se produisant à l’échelle de l’électrode constitue une cause principale d’un gonflement supplémentaire irréversible et de vieillissement de la batterie.Ainsi, le gonflement doit être pris en compte pendant la phase du dimensionnement mécanique de la batterie. Il est donc indispensable d’avoir un outil numérique fiable capable de prédire ce comportement mécanique pendant toutes les phases de fonctionnement de la batterie et de permettre aux concepteurs d’améliorer sa structure.Ce travail rentre dans le cadre d’une collaboration entre l’ENSTA ParisTech et le constructeur automobile Renault suite à un besoin industriel de comprendre et de maîtriser le gonflement des batteries utilisées dans les véhicules électriques et hybrides. Pour répondre à ce besoin, un modèle multi-physique et multi-échelle fondé sur la théorie de la thermodynamique des processus irréversibles, sur l’endommagement et sur la théorie de l’homogénéisation est développé. Il permet de décrire et de prédire la déformation d’une batterie lithium ion pendant son fonctionnement. Le modèle tient compte des phénomènes mécaniques, électrochimiques et thermiques qui se produisent à l’échelle locale des électrodes afin de calculer la déformation mécanique au niveau macroscopique de la batterie. / Lithium ion battery is the most popular energy storage technology in the automotive industry. Ensuring high efficiency, power, capacity, safety and endurance is a challenge for many researchers and manufacturers. Indeed, a battery is a complex system containing several components and subject to various risks of chemical, mechanical and electrical damage, manifesting even under normal operating conditions. However, the battery should perform its functions for a large number of charge and discharge cycles and continue to serve without these risks influencing its overall performance. One of the main and inevitable damage is its swelling, which induces an electrical discontinuity and a loss of its capacity.Indeed, swelling is a multi-physics phenomenon that involves electrochemistry, mechanics and heat. On the one hand, a lithium-ion battery is based on the reversible exchange of the lithium ion between a positive electrode and a negative electrode. The process of inserting the ion into the particles of the electrode results in a significant reversible volume change of the battery for each charge / discharge cycle. This variation in volume leads to the formation of stresses when the battery is held in a rigid pack preventing or limiting its deformation. On the other hand, the formation of a layer at the particle-electrolyte interface (SEI) following parasitic reactions occurring at the electrode scale is a major cause of irreversible additional swelling and aging of the drums.Thus, the swelling must be taken into account during the mechanical sizing phase of the battery. It is therefore essential to have a reliable numerical tool able to predict this mechanical behavior during all phases of battery operation and to allow designers to improve its structure.This work is part of a collaboration between ENSTA ParisTech and the car manufacturer Renault following an industrial need to understand and control the swelling of batteries used in electric and hybrid vehicles. To meet this need, a multi-physics and multi-scale model based on the theory of the thermodynamics of irreversible processes, mechanical damage theory and the homogenization theory is developed. It allows to describe and predict the deformation of a lithium ion battery during its operation. The model takes into account the mechanical, electrochemical and thermal phenomena that occur at the local scale of the electrodes in order to calculate the mechanical deformation at the macroscopic level of the battery.

L’apparition massive de nids de poule sur chaussées bitumineuses a été observée en cours d’hiver sur de très courtes périodes de temps, caractérisées par l’alternance entre températures positives et fortement négatives accompagnée de précipitations pluvieuses. Ceci a conduit à rechercher un mécanisme spécifique de dégradation de couches d’enrobés bitumineux (EB) lié au comportement au gel des EB partiellement saturés en eau. Celui-ci a été étudié en laboratoire à partir d’essais à déformation libre ou empêchée, avec ajout de chaux pour certaines formules d’EB.Ces essais ont montré l’apparition de déformations de gonflement ou contraintes importantes induites lors du gel de l’eau interstitielle. D’autres essais utilisant l’IRM ont permis de visualiser le phénomène au sein du matériau. Sur la base de ces essais, nous proposons une loi de comportement thermoviscoélastique avec changement de phase pour EB. Un programme aux éléments finis a été développé (Free Fem++)pour intégrer cette loi dans le calcul de structures ; ce code couple les équations mécaniques et de diffusion de la chaleur prenant également en compte le changement de phase à travers la chaleur latente de solidification de l’eau interstitielle.Après validation du logiciel, celui-ci a été appliqué au calcul de structures bitumineuses bicouches représentatives des couches supérieures d’une chaussée. Les résultats mettent alors en évidence l’apparition de contraintes d’arrachement élevées à l’interface entre couches générées par le gel,susceptibles d’expliquer la formation de nids de poule. Un essai de laboratoire sur bicouche a confirmé la fragilisation de l’interface induite dès le premier cycle de gel. / Massive development of potholes occurring in bituminous pavements was observed during winters over short time laps characterized by temperature alternating between positive and highly negative values along with rainfalls. This led us to seek for a specific mechanism of degradation of asphalt concrete (AC) layers, related to the behavior of partially saturated AC subjected to freeze. Two types of laboratory tests were performed under traction free and restrained strain conditions to study the behavior of AC within this context, incorporating lime additive in some mix design formulations. These tests showed the development of large swelling strains or stresses induced by the phase change of pore water into ice. Additional tests using MRI allowed us to visualize this phenomenon from inside the material specimens. Based on these tests, we developed a thermoviscoelastic constitutive law including phase change for partially saturated AC. A Finite Element (FE) program was implemented (FreeFem++) to introduce the developed law instructural calculations; this FE code handles the coupling between mechanics and the heat equation, also taking into account the phase change through the latent heat of crystallization of pore water. After validating the software, this numerical tool was utilized to compute the response of bilayer bituminous structures representative of the upper layers of a pavement. The results obtained show the development of highfrost-induced pull-out stresses located at the interface between the layers, likely to explain the formation of potholes. A test carried out on a bilayer sample confirmed the weakening of the interface right after the first frost cycle.