Les nanocomposites à matrice polymère et à renforts d’argile ont pris une grande importance au cours de ces deux dernières décennies. Ceci trouve son explication d’une part, dans la grande disponibilité et le faible coût de production de la phase renforçante, et d’autre part dans les remarquables améliorations de propriétés physiques et mécaniques. Ces améliorations sont observées même à de très faibles quantités de renforts comparées à celles de leurs homologues microcomposites. Le développement de ces nouveaux matériaux suscite un fort engouement tant au niveau de la recherche académique qu’industrielle. Cependant, les mécanismes responsables de ces améliorations de propriétés demeurent mal compris et restent l’une des principales préoccupations des chercheurs. Il s’agit dans ce travail de thèse, d’apporter une contribution à la compréhension et à la mise au point d’outils prédictifs du comportement mécanique de nanocomposites polymères à renforts d’argile de type montmorillonite. Pour y parvenir, deux approches de modélisation sont utilisées : la micromécanique des matériaux hétérogènes et la simulation de dynamique moléculaire. Du point de vue analytique, un modèle micromécanique basé sur l’approche auto-cohérente est développé. Le modèle proposé est validé par nos données expérimentales et celles issues de la littérature. Un protocole de simulation de dynamique moléculaire est proposé pour la modélisation à l’échelle atomique de ces nanomatériaux. Cette approche nous a permis, entre autres, de faire la lumière sur les interactions moléculaires entre les différents constituants, et de déterminer les propriétés élastiques effectives du nanocomposite. / Polymer nanocomposites reinforced with clay minerals have attracted a great consideration during the last two decades. That can be explained, firstly, by the availability and the reduced production cost of the reinforcing phase, and secondly, by the remarkable improvements in physical and mechanical properties. These improvements are observed even at very low amounts of reinforcements compared to their microcomposite counterparts. The development of these new materials creates a keen interest both in academic and industrial research. However, the mechanisms responsible of these property improvements are still poorly understood and remain a major concern of researchers. This work contributes to the understanding and to the development of predictive tools of the mechanical behavior of polymer nanocomposites reinforced with montmorillonite clay using two modeling approaches: the micromechanics of heterogeneous materials and the molecular dynamics simulation. An analytical micromechanical model based on the self-consistent approach is developed. The proposed model is validated by our experimental data and those from the literature. A new molecular dynamics simulation protocol is proposed for the modeling of these nanomaterials at the nanometric scale. This approach has allowed us, inter alia, to get insight into the molecular interactions between the different components and to determine the effective elastic properties of the nanocomposite.

Ce travail évalue le comportement mécanique des matériaux cimentaires à différentes échelles de distance. Premièrement, les propriétés mécaniques du béton produit avec un bioplastifiant à base de microorganismes efficaces (EM) sont etudiées par nanoindentation statistique, et comparées aux propriétés mécaniques du béton produit avec un superplastifiant ordinaire (SP). Il est trouvé que l’ajout de bioplastifiant à base de produit EM améliore la résistance des C–S–H en augmentant la cohésion et la friction des nanograins solides. L’analyse statistique des résultats d’indentation suggère que le bioplastifiant à base de produit EM inhibe la précipitation des C–S–H avec une plus grande fraction volumique solide. Deuxièmement, un modèle multi-échelles à base micromécanique est dérivé pour le comportement poroélastique de la pâte de ciment au jeune age. L’approche proposée permet d’obtenir les propriétés poroélastiques requises pour la modélisation du comportoment mécanique partiellement saturé des pâtes de ciment viellissantes. Il est montré que ce modèle prédit le seuil de percolation et le module de Young non drainé de façon conforme aux données expérimentales. Un metamodèle stochastique est construit sur la base du chaos polynomial pour propager l’incertitude des paramètres du modèle à travers plusieurs échelles de distance. Une analyse de sensibilité est conduite par post-traitement du metamodèle pour des pâtes de ciment avec ratios d’eau sur ciment entre 0.35 et 0.70. Il est trouvé que l’incertitude sous-jacente des propriétés poroélastiques équivalentes est principalement due à l’énergie d’activation des aluminates de calcium au jeune age et, plus tard, au module élastique des silicates de calcium hydratés de basse densité. / This work assesses the mechanical behavior of cement-based materials through different length scales. First, the mechanical properties of concrete produced with effective microorganisms (EM)-based bioplasticizer are investigated by means of statistical nanoindentation, and compared to the nanomechanical properties of concrete produced with ordinary superplasticizer (SP). It is found that the addition of EM-based bioplasticizer improves the strength of C–S–H by enhancing the cohesion and friction of solid nanograins. The statistical analysis of indentation results also suggests that EM-based bioplasticizer inhibits the precipitation of C–S–H of higher density. Second, a multiscale micromechanics-based model is derived for the poroelastic behavior of cement paste at early age. The proposed approach provides poroelastic properties required to model the behavior of partially saturated aging cement pastes. It is shown that the model predicts the percolation threshold and undrained elastic modulus in good agreement with experimental data. A stochastic metamodel is constructed using polynomial chaos expansions to propagate the uncertainty of the model parameters through different length scales. A sensitivity analysis is conducted by post-treatment of the meta-model for water-to-cement ratios between 0.35 and 0.70. It is found that the underlying uncertainty of the effective poroelastic proporties is mostly due to the apparent activation energy of calcium aluminate at early age and, later on, to the elastic modulus of low density calcium-silicate-hydrate.

La réaction alcali-silice est une réaction endogène du béton qui peut contribuer à diminuer la durée de vie d'ouvrages coûteux. La modélisation est nécessaire pour pouvoir évaluer la durée de vie restante des ouvrages atteints. L'alcali-réaction provoque un gonflement du béton dû à une fissuration microscopique sous pression de produits de réaction qui sont des gels gonflant par absorption d'eau. Si le béton est chargé, la fissuration microscopique se développe en fonction du chargement local du béton, ce qui induit une anisotropie de comportement et de déformation du béton. L'objectif de notre travail est de simuler, à partir d'hypothèses simples sur les mécanismes réactionnels en jeu, pour une classe de granulats à réactivité rapide, le déroulement de la fissuration du béton au niveau microscopique, de façon à estimer les déformations et les propriétés mécaniques du béton attaqué. Nous utilisons pour cela une description micromécanique du béton qui nous permet de calculer les propriétés mécaniques et les déformations en fonction de l'état de fissuration, et un critère énergétique de fissuration de façon à faire évoluer l'état de fissuration. Le fonctionnement du modèle est testé sur de nombreux cas qui font apparaître que l'utilisation d'un critère de rupture énergétique en micromécanique est bien adaptée à l'alcali-réaction. L'identification des paramètres du modèle sur des essais en laboratoire donne de bons résultats pour des chargements en dessous de 10 MPa, mais conduit à des estimations très élevées des énergies mécaniques. Le modèle a en effet une tendance à surestimer l'anisotropie du gonflement qui est compensée par l'augmentation de l'énergie surfacique de fissuration

La plupart de l'énergie en France est d'origine nucléaire. Le bâtiment de réaction comporte une enceinte interne et une externe. L'enceinte interne est en béton précontraint, pour limiter le débit de fuite dans l'espace interne-ence inte. La précontrainte diminue au cours du temps à cause du fluage du béton. Il risque de se propager des fissures par une pression accidentelle interne. On pose alors deux problèmes de recherche : propagation de macrofissures dans une structure viscoélastique ; comportement effectif d'un matériau viscoélastique microfissuré. On développe tout d'abord un modèle viscoélastique de Burger pour le béton avec deux approches de calcul numérique et analytique. On traite ensuite le problème de fissure unique en développant thermodynamiquement la notion du taux de restitution d'énergie. Dans la troisième partie, on établit un modèle viscoélastique pour modéliser le comportement effectif des matériaux microfissurés dans le cas sans propagation. Le problème de propagation de microfisures est étudié ultérieurement par une approche numérique basée sur le "motif morphologique représentative". Ces études sont finalement appliquées pour traiter les problèmes de propagation de fissure et endommagement d'une enceinte de confinement sous l'application d'une pression accidentelle interne / Most of France's energy is nuclear. The reactor building comprises a internal and external containment. The internal containment is prestressed to limit the flow of leakage in the internal-external space. The prestress decreases during time by the creep of concrete. It may propagate the cracks by the accidental internal pressure. So we define two research problems : propagation of macrocracks in viscoelastic structure ; effective behavior of microcracked viscoelastic material. Firstly, we develop a Burger viscoelastic model of concrete with two approaches: numerical and analytical. Then we solve the problem of single cracks in developing thermodynamically the concept of energy release rate. In the third part we develop a viscoelastic model to study the effective behavior of microcracked materials in the case without propagation. The problem of propagation of microcracks is then studied by a numerical approach based on the "representative pattern morphology". These studies are finally applied to solve the problems of crack propagation and damage of containment under accidental internal pressure

La conception de matériaux composites à particules, fibres ou structures sandwichs, faits de renforts auxétiques en vue de l'amélioration des propriétés amortissantes, est analysée dans cette thèse. Pour une telle analyse, le comportement auxétique décrivant un coefficient de Poisson négatif nécessite d'être compris tant d'un point de vue « effet structure » que « effet matériau ». Ce dernier point c'est-à-dire l'« effet matériau », faisant référence à la forme, aux orientations et différentes propriétés des phases constitutives du matériau, reste peu documenté dans la littérature scientifique. Ainsi partant d'un formalisme micromécanique basé sur l'équation cinématique intégrale de Dederichs et Zeller, nous explorons dans un premier temps et analytiquement le domaine de validité du matériau composite auxétique par le schéma mono-site de Mori-Tanaka. Ensuite des microstructures plus complexes, à l'instar de la microstructure du vide multi-enrobé et celle d'un cluster réentrant d'inclusions ellipsoïdales prenant en compte les interactions de ces dernières, sont étudiées et validées par des simulations Eléments Finis. Les résultats de ces analyses nous indiquent, par ailleurs dans le cas des matériaux isotropes que le comportement auxétique n'est atteint que si et seulement si une des phases du composite est initialement auxétique. Aussi, la nécessité d'introduire des liaisons ou inter-connections au niveau des inclusions ellipsoïdales est montrée comme étant la méthode conduisant à un effet auxétique au niveau de la microstructure du cluster réentrant. Outre cette analyse préliminaire sur le domaine de validité du comportement auxétique dans les composites, l'effet de l'introduction d'inclusions auxétiques dans une matrice viscoélastique en l'occurrence le PolyVinyle de Butyral (PVB) d'une part et l'utilisation de couches viscoélastiques et auxétiques dans les structures sandwichs d'autre part, ont été étudiés. Les réponses de ces matériaux en termes de propriétés amortissantes, telles que le module de stockage et le facteur de perte, sont alors déterminées et discutées par rapport aux composites à renforts non auxétiques (conventionnels) / The design of composite (particles/fibers or structures) materials, consisting of auxetic reinforcements, with enhanced damping properties is studied herein. For such analysis, the auxetic behavior describing a negative Poisson's ratio needs to be understood as "structure effect" point of view than "material effect". Indeed, the "material effect" which treats of the topological and morphological textures of the composite constituents remains poorly documented in the literature. Based on the kinematic integral equation of Dederichs and Zeller, the design space of auxetic composite materials is explored initially through an analytical one-site formulation of the Mori-Tanaka micromechanics scheme. Then, more complex microstructures are investigated from micromechanics formalism as well as Finite Element Method (FEM) simulations. One can cite the multilayered hollow-cored microstructure and the microstructure describing a cluster of re-entrant ellipsoidal inclusions in which the interaction among them (inclusions) is taken into account. The results provided by these investigations show us for instance in the case of isotropic materials that auxeticity is achieved if and only if one of the material?s constituents (inclusion or matrix) is initially auxetic. Also, it is noticed in the case of ellipsoidal inclusions describing the re-entrant cluster that auxetic behavior can be recovered by introducing joints between inclusions. Otherwise, favorable issues are only expected with auxetic components. In addition to this preliminary analysis concerning the validity domain of auxetic behavior in composites, the effect of inserting auxetic reinforcements within a viscoelastic matrix for instance PolyVinylButyral (PVB) on the one hand, and the use of auxetic and viscoelastic layers in sandwich structures on the other hand, are studied. The response of these materials in terms of damping properties, such as the storage modulus and the loss factor are then identified and discussed versus non-auxetic (conventional) composite reinforcements

La réaction alcali-silice est une réaction endogène du béton qui peut contribuer à diminuer la durée de vie d'ouvrages coûteux. La modélisation est nécessaire pour pouvoir évaluer la durée de vie restante des ouvrages atteints. L'alcali-réaction provoque un gonflement du béton dû à une fissuration microscopique sous pression de produits de réaction qui sont des gels gonflant par absorption d'eau. Si le béton est chargé, la fissuration microscopique se développe en fonction du chargement local du béton, ce qui induit une anisotropie de comportement et de déformation du béton. L'objectif de notre travail est de simuler, à partir d'hypothèses simples sur les mécanismes réactionnels en jeu, pour une classe de granulats à réactivité rapide, le déroulement de la fissuration du béton au niveau microscopique, de façon à estimer les déformations et les propriétés mécaniques du béton attaqué. Nous utilisons pour cela une description micromécanique du béton qui nous permet de calculer les propriétés mécaniques et les déformations en fonction de l'état de fissuration, et un critère énergétique de fissuration de façon à faire évoluer l'état de fissuration. Le fonctionnement du modèle est testé sur de nombreux cas qui font apparaître que l'utilisation d'un critère de rupture énergétique en micromécanique est bien adaptée à l'alcali-réaction. L'identification des paramètres du modèle sur des essais en laboratoire donne de bons résultats pour des chargements en dessous de 10 MPa, mais conduit à des estimations très élevées des énergies mécaniques. Le modèle a en effet une tendance à surestimer l'anisotropie du gonflement qui est compensée par l'augmentation de l'énergie surfacique de fissuration / The alkali-silica reaction is an endogenous chemical reaction affecting concrete. Therefore, it is important to model the effects of the reaction so as to estimate the life span of the attacked structures. The reaction leads to a microscopic cracking, due to the pressure of the reaction products which swell by absorption of water, inducing swelling of the concrete. If the concrete is mechanically loaded, the orientation of the microscopic cracking is affected by the local stress state, which induces anisotropy of the mechanical properties and deformations of the concrete. Our work aims at simulating, starting from simple assumptions about the reaction mechanisms, and for a class of fast-reacting aggregates, the development of cracking at the microscopic scale, so as to estimate the deformations and mechanical properties of the attacked concrete. In this purpose, we use a micromechanical description of the concrete, thanks to which we can compute the mechanical properties and deformations from the state of cracking of the concrete. In addition to that, we use an energy fracture criterion to determine the evolution of cracking as the attack progresses. We tested our model on numerous cases. These tests show that this description is well adapted to studying alkali-silica reaction. The identification of the parameters using laboratory experiments yielded good results as far as compression stresses are below 10 MPa. However, the fracture energies identified are greater than accepted values for concretes. We think that our model overestimates the anisotropy of the reaction, which is balanced by higher fracture energies in the identification

Les matériaux céramiques présentent généralement des propriétés mécaniques très intéressantes pour la réalisation de blindages. Ce sont des matériaux très durs et pourtant légers. Les plaques de blindages en céramique sont classiquement mises en forme par pressage à haute température de poudres, ce qui limite la taille et la forme des réalisations tout en impliquant un coût élevé. Une alternative pour produire ces pièces est le moulage d’un composite constitué de particules de céramiques dans une matrice époxy. Ce procédé permet de réduire le coût des pièces tout en autorisant des géométries plus complexes et des dimensions plus importantes.Le comportement mécanique de ce type de matériau dépend de multiples paramètres de conception : propriétés mécaniques des constituants (matrice polymère et particules céramiques), proportion volumique des deux phases, taille et distribution spatiale des particules ou encore l’adhésion entre les constituants. L’objectif de la thèse est d’évaluer l’influence de ces paramètres sur les propriétés d’usage du matériau. Pour ce faire, une analyse multi-échelle du matériau sous sollicitations quasi-statique et dynamique est réalisée.Plus précisément, les propriétés statiques et dynamiques du composite à renforts particulaires ont été déterminées pour différentes combinaisons de ces paramètres de conception. En particulier, le mécanisme de décohésion particule/matrice a été spécifiquement étudié. Les approches de Modèles de Zone Cohésive (CZM) et de Mécanique de la Rupture Finie (FFM) ont été utilisées pour modéliser ce phénomène et un fort effet de taille des particules a été observé. / Ceramics have extensively been used for ballistic protection in the last decades. The combination of their mechanical properties makes them very interesting for armouring. Indeed, they exhibit a high hardness, large compression strength, high stiffness and low density. Ceramic armouring plates are commonly manufactured through a sintering process, where ceramic powders are pressed at high temperatures. This manufacturing process tends to limit the size and shape of components and imparts high costs. On the other hand, moulding using a polymer matrix composite provides an alternative process for developing lower cost parts whilst accommodating increased complexity of geometry and size.However, the mechanical behaviour of such a material is not completely known and depends on multiple design parameters: the mechanical properties of the phases, their volume fraction, the size and spatial distributions of the particles, and the adhesion between the components. The objective of the thesis is to evaluate the influence of the main morphological parameters on the overall mechanical properties, emphasising the influence of the particle/matrix adhesion. To do so, both numerical and experimental multiscale analyses of the material under quasi-static and dynamic loadings were carried out.More precisely, static and dynamic properties of the particle-reinforced composite have been determined for different combinations of the design variables. In particular, attention has been dedicated to the particle/matrix decohesion mechanism. Cohesive zone models (CZM) and Finite Fracture Mechanics (FFM) approaches were used to model this phenomenon and a strong effect of the particle size on debonding was observed.

A la suite des propositions de la commission européenne, visant à concrétiser les objectifs de réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) des voitures. Pour atteindre cet objectif, les constructeurs automobiles doivent réduire le poids de la voiture. Ainsi l'équipementier FAURECIA, fabricant de sièges de voiture désire remplacer les structures métalliques par des structures hybrides plastique-métal (PMH). Et en plus, il désire également utiliser un matériau composite en remplacement du métal pour diminuer le poids et utiliser la technique du plasma atmosphérique pour améliore le force d'adhérence à l'interface de pièce structure hybride.C'est dans ce contexte que nous avons étudié des effets de plasma traitement sur l'adhérence dans la structure hybride pour proposer la meilleure condition de traitement. L'objectif de ce travail était de caractériser l'effet de plasma traitement par détermination des paramètres dans le processus de traitement telle que la vitesse de balayage, la distance entre le substrat et la torche plasma et le nombre de passages de la torche, puis de prédire l'initiation du délaminage sous chargement quasi-statiques dans l'éprouvette de simple recouvrement par l'utilisation le critère de la rupture. Un autre objectif était d'étudier les modèle micromécanique pour évaluer la fiabilité de leur. Et ils seront appliqués pour prévoir les comportements mécaniques de matériau thermoplastique renforcé par fibre de verre court. Afin d'atteindre les objectifs présenté, les plusieurs essais telles que l'essai de traction, l'essai simple recouvrement et l'essai de l'ARCAN-Mines sont été réalisé. En parallèle, les techniques de l'émission acoustique (EA), du rayonnement infrarouge (RI) et de la microscopie optique ont été utilisées pour suivre les mécanismes de la rupture de l'éprouvette étudiée. En enfin, la méthode des éléments finis a été utilisé pour simuler les essais et pour permettre de vérifier la fiabilité du critère de rupture. / Following the proposals of the European Commission, to achieve the goals of emission reduction of carbon dioxide (CO2) from cars. To achieve this objective, automakers must reduce the weight of the car. Thus the supplier Faurecia, manufacturer of car seats desires to replace metal structures by structure plastic-metal hybrid (PMH). And they desire also to use a composite material to replace metal in order to reduce weight. Moreover in order to improve the adhesion strength at the interface piece hybrid structure,Atmospheric plasma technique was used.In this context, we studied the effects of plasma treatment on term of adhesion in the hybrid structure in order to provide the best condition of treatment. The objective of this study was to characterize the effect of plasma treatment by determination at the parameters in the process such as the scanning speed, the distance between the substrate and the plasma torch and the number of passes of the torch, then to predict the initiation of delamination under quasi-static loading test in specimen of single lap shear by using the criterion of rupture. The other objective was to study the micromechanical model to assess the reliability of them. And they will be applied to predict the mechanical behavior of Short Glass Fiber reinforced thermoplastic. In order to achieve the objectives presented, the several tests such as tensile test, single lap shear test and ARCAN-Mines test have been executed. In parallel, techniques acoustic emission (AE), infrared radiation (IR) and optical microscopy were used in order to follow the failure mechanisms of the specimen studied. Finally, the finite element method was used to simulate the tests and allow to verify the reliability of the failure criterion.

Si la majeure partie de la variabilité inter spécifique des caractéristiques élastiques du bois normal peut être expliquée par des indicateurs identifiés (nature de l'essence, masse volumique, taux d'humidité), l'étude menée ici permet d'élucider les causes de la variabilité de ces mêmes propriétés au niveau intra spécifique. La simulation de l'anisotropie élastique d'un bois résineux sans défaut est réalisée par l'empilement de quatre échelles de descriptions, faisant passer successivement du niveau des bio polymères essentiels à celui de chaque sous couche élémentaire (Passage 1), de celui de la sous couche à celui de la double paroi cellulaire (Passage 2), de la double paroi au tissu ligneux (Passage 3) et enfin de chacun des tissus ligneux à l'échelle du cerne (Passage 4). Les modèles micromécaniques utilisés à chaque étape restent basés sur la recherche du solide élastique homogène équivalent, par des lois des mélanges simples appliquées à des assemblages série ou parallèle de sous domaines supposés homogènes. Un jeu utile de 22 paramètres réalistes, en regard de données bibliographiques variées, est optimisé sur la base des données caractéristiques élastiques anisotropes du « résineux standard ». Un Résineux Standard Virtuel (RSV) est alors défini. L'outil de modélisation se révèle particulièrement adapté à l'analyse de la sensibilité des propriétés élastiques à la variabilité des paramètres structuraux et ultrastructuraux retenus. Une hiérarchisation objective est alors menée et permet de confirmer le rôle essentiel que joue l'inclinaison des microfibrilles dans S2 (AMF) sur l'anisotropie élastique globale (macroscopique) du matériau. Une campagne expérimentale partielle, menée sur du bois de réaction de trois essences résineuses permet de comparer les résultats prédits par le modèle RSV à ceux obtenus par diverses techniques.

Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l'application des méthodes de changement d'échelle pour la modélisation du comportement des milieux poreux non saturés dont la phase solide est constituée d'un matériau élastique linéaire. Pour aborder le cas non sturé, il est essentiel de connaître la répartition des phases fluides au sein de l'espace poreux. Les outils permettant de déterminer les positions d'équilibre d'une interface capillaire au sein de d'un milieu poreux et d'étudier leur stabilité sont présentés ici, en particulier dans le cas où il existe des échanges de matière entre les phases fluides. On utilise ensuite les outils de l'homogénéisation linéaire "classique" pour aborder le comportement mécanique d'un milieu poreux saturé par deux phases fluides. Les résultats obtenus sont appliqués pour estimer les déformations de séchage à contrainte imposée constante en condition isotherme en tenant compte de l'influence des caractéristiques morphologiques de l'espace poreux et des domaines occupés par les phases fluides. On propose également une modélisation du comportement d'un milieu mésofissuré non saturé prenant en compte le couplage entre les efforts capillaires et les changements de géométrie des fissures. On montre sur l'exemple du séchage que, dans le cas où les fissures sont très aplaties, la prise en compte de cette non-linéarité modifie radicalement le comportement par rapport à celui prévu par un modèle linéaire. Le mémoire s'achève avec l'examen du comportement d'un matériau granulaire non saturé. On utilise pour cela une approche numérique reposant sur l'hypothèse de périodicité du milieu étudié. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail démontre clairement l'intérêt qu'il y a à se référer aux phénomènes se déroulant à l'échelle des pores ainsi qu'aux propriétés morphologiques des domaines occupés par chacune des phases pour construire des modèles de comportement pertinents pour les milieux poreux non saturés.