Les matelas fibreux à base de fibres de verre produits par voie humide ont des applications industrielles en tant que séparateur de batterie et matériaux d’isolation (cœur de panneaux d’isolation sous vide). Ces matériaux utilisent principalement des fibres submicroniques, relativement chères et pouvant présenter des risques pour la santé. Ce projet est une contribution à l'élaboration d'un procédé de fabrication par voie humide de matelas de fibres de verre visant à valoriser des fibres plus grossières, le produit final devant respecter un cahier des charges précis. Nous avons été amenés à étudier le comportement des fibres de verre dans les différentes étapes du procédé et à caractériser les matelas résultants. Nous nous sommes intéressés en particulier au comportement physico-chimique des suspensions aqueuses de fibres de verre. Nous avons caractérisé les propriétés de contexture, la résistance mécanique en traction, la compressibilité et la conductivité thermique des matelas fibreux. Les travaux expérimentaux nous ont permis de proposer une formulation de la composition optimisée et des conditions opératoires du procédé afin que le matelas final soit conforme au cahier des charges. Cette nouvelle composition intègre des fibres de renfort en faible quantité. Elle permet d’améliorer les caractéristiques mécaniques sans affecter les autres propriétés.Enfin, nous avons quantifié les coûts de production et les avons comparés à ceux du procédé actuellement utilisé avec des fibres grossières (production par voie sèche).Mots-clés : Génie papetier, physico-chimie, milieu poreux, fibres de verre, caractérisation. / Glass fibre - based mats produced by a wetlaid process have industrial applications as a battery separator and insulation materials (core of vacuum insulation panels). These materials are mainly made with sub-micron fibres which relatively expensive and can present a risk to health. This project is a contribution to the production of glass fibre-based mats by a wet-laid process to add value to coarser fibres, the final product should respect precise specifications. We have been led to study the behavior of glass fibers in different stages of the process and to characterize the resulting mats. We investigated especially the physico-chemical behavior of aqueous suspensions of glass fiber. We have characterized structure properties, the mechanical resistance to traction, the compressibility and the thermal conductivity of fibrous mats. The experimental work has allowed us to give a formulation of the optimized composition and operational conditions of the process so that the final mattress conforms to the specifications. This new composition includes reinforcement fibres in small quantities. It allows improving the mechanical characteristics without affecting the other properties. Finally, we quantified the production costs and compared them to those of the process currently used with coarse fiber (dry-laid production).Keywords: Paper engineering, physical chemistry, porous media, glass fibre, characterization.

Dans les études expérimentales de la micromécanique des matériaux granulaires, la mesure des forces de contact entre particules est de nos jours toujours un challenge en comparaison avec les outils et techniques bien mieux établis pour la caractérisation cinématique à l'échelle des particules. Cette thèse de doctorat s'attaque à cet ambitieux problème. L'approche proposée implique deux aspects : (i) la caractérisation expérimentale du réseau de contact et de la cinématique à l'échelle des particules, qui peut être réalisée avec des techniques d'imagerie standards ; (ii) une approche numérique capable d'exploiter ces mesures afin de déduire les forces de contact.L'une des contraintes qu'on s'était imposée était de ne s'appuyer que sur la connaissance de la géométrie des particules ainsi que du réseau de contacts pour réaliser la déduction des forces de contact. Trois techniques numériques différentes ont été proposées à cet effet : une méthode basée sur l'élasticité des contacts (CEM), une méthode basée sur la dynamique de contact (CDM) et une méthode basée sur l'équilibre élasto-plastique de l'assemblage granulaire (QSM). Chacune de ces techniques repose sur une approche de la famille des méthodes en éléments discrets ; il s'agit respectivement de le DEM de type Cundall, la dynamique des contacts non régulière, et une approche de calcul statique élastoplastique. La non-unicité de la solution est le principal problème avec les techniques choisies, et elles sont étroitement liées à l’indétermination des forces dans le système.Les trois méthodes sont d'abord présentées et validées en les appliquant à l'estimation des forces dans les systèmes granulaires 2D générés au moyen de simulations DEM explicites. Nous prenons ces simulations comme des expériences "idéales" dans le sens où elles fournissent des données similaires à celles extraites des expériences, mais dépourvues d'erreurs de mesure. Un avantage évident de cette stratégie est d’obtenir des ensembles de forces faisant office de référence faisant foi. Sur cette base, les principaux aspects affectant la détermination des forces peuvent être étudiés. En particulier, le rôle crucial de l'histoire du chargement est mis en évidence et certaines solutions pour les prendre en compte dans la détermination des forces ont été prospectées. Une évaluation de l'influence de l'erreur de mesure a également été réalisée pour prédire l'applicabilité de chaque méthode à des expériences réelles. Une brève analyse de la variabilité des solutions est également fournie.Finalement, des tentatives ont été faites pour déduire des forces issues d’expériences effectuées dans le dispositif 1gamma2epsilon. La cinématique des particules et la connectivité ont été évaluées au moyen de la technique de corrélation d'image numérique. Les avantages et inconvénients des trois méthodes ont été éclaircis. Ils nous conduisent à envisager une utilisation combinée des trois méthodes pour tirer parti de leurs atouts respectifs. À l'avenir, il conviendra de réfléchir à la prise en compte de la stabilité de la solution -- dans l'algorithme de convergence vers une solution -- avec l'espoir de limiter la variabilité des solutions. / In the experimental study of the micro-mechanics of granular materials, measuring inter-particle contact forces is still a challenging task, if compared to the well-established tools and techniques for the kinematic characterisation at particle scale. This doctoral thesis addresses this problem. The proposed approach consists of two parts: an experimental characterisation of the granular network geometry and of particle-scale kinematics, which can be carried out with common imaging techniques such as Digital Image Correlation; a numerical approach aiming to exploit these measurements for the estimation of forces.One imposed constraint was to only make use of the rigid motions of particles, together with the knowledge of the contact network, to infer contact forces. Three different numerical techniques have been proposed to this purpose, referred to as Contact Elasticity Method (CEM), Contact Dynamics-based Method (CDM) and Quasi-Static Method (QSM). Each of these techniques is based on the formulation of common approaches in the family of Discrete Element Methods, respectively the classical Cundall-like DEM, the Non Smooth Contact Dynamics and a quasi-static approach accounting for both contact elasticity and plasticity. It is shown that memory of the history of the packing is the main concern with all the chosen techniques.The three methods are first presented and validated by applying them to the estimation of forces in 2D granular systems generated by means of explicit-time DEM simulations. We refer to these simulations as "ideal" experiments since they are meant to provide the same information that can be extracted from experiments, but without any measurement error. An obvious benefit of this strategy is to get reference force sets that are taken as ground truth. Based on this, the main aspects that affect the determination of forces can be investigated. In particular, the crucial role of history is emphasised here, and some solutions to take it into account in the force inference have been investigated.An assessment of the influence of measurement error has also been carried out, to predict the applicability of each method to real experiments. A short analysis of the variability of the solutions is also provided.Finally, some attempts have been made to infer forces from experiments carried out in the 1gamma2epsilon device. Particle kinematics and connectivity have been assessed by means of the Digital Image Correlation technique.The benefits and drawbacks of the three methods have been demonstrated. They conduct us to envision a combined usage of the three methods. In the future, studying the stability of equilibrium might help reducing the variability of the solutions.

Dans cette thèse on s'appuie sur la simulation numérique discrète pour étudier le comportement mécanique d'un milieux granulaire immergé dans un fluide visqueux. Le calcul de la dynamique du mélange est rendu possible grâce à un couplage fort entre méthodes des éléments discrets (DEM) pour les grains et Lattice Boltzmann (LBM) pour le fluide. Pour une large gamme de valeurs de vitesses de cisaillement, contraintes de confinement et viscosités, les résultats montrent que le coefficient de frottement interne et la compacité sont bien décrits par un unique paramètre adimensionnel "visco-inertiel" associant les nombres de Stokes et d'inertie. Le comportement frottant, obtenu à pression de confinement constante, est mis en correspondance avec le comportement visqueux obtenu sous conditions aux limites à volume controlé et qui conduit à une divergence des viscosités effectives normales et tangentielles en inverse du carré de la différence entre compacité et compacité critique de l'assemblage. Les résultats numériques montrent un excellant accord avec les données expérimentales de Boyer et al. (2011). L'évolution de la connectivité et de l'anisotropie du réseau de force en fonction du nombre visco-inertiel montrent que l'augmentation de la résistance au frottement est une conséquence directe d'une anisotropie de structure renforcée à la fois par les effets de la viscosité et de l'inertie des grains. En vue d'une contribution à l'évaluation des risques consécutifs à un accident nucléaire, nous nous sommes également intéressés à l'étude de la fragmentation et de l'écoulement d'agrégats poreux confinés et soumis à une surpression locale exercée par un fluide. L'étude de l'écoulement sous gravité d'un matériau granulaire immergé à travers une constriction a également fait l'objet d'une campagne d'essais numériques. / We investigate the behavior of granular materials immersed in a viscous fluid by means of extensive simulations based on the Discrete Element Method for particle dynamics coupled with the Lattice Boltzmann method for the fluid. We show that, for a broad range of parameters such as shear rate, confining stress and viscosity, the internal friction coefficient and packing fraction are well described by a single "visco-inertial" dimensionless parameter combining inertial and Stokes numbers. The frictional behavior under constant confining pressure is mapped into a viscous behavior under volume-controled conditions, leading to the divergence of the effective normal and shear viscosities in inverse square of the distance to the critical packing fraction. The results are in excellent agreement with the experimental data of Boyer et al. (2011). The evolution of the force network in terms of connectivity and anisotropy as a function of the visco-inertial number, indicates that the increase of frictional strength is a direct consequence of structural anisotropy enhanced by both fluid viscosity and grain inertia. In view of application to a potential nuclear accident, we also study the fragmentation and flow of confined porous aggregates in a fluid under the action of local overpressures and pressure gradients as well as gravity-driven flow of immersed particles in an hourglass.

Les structures en bétons sont souvent exposées dès le jeune âge du matériau à des milieux pouvant être agressifs pour leur durabilité. En effet, dans certains cas, ces structures sont directement au contact d’une eau de mer riche en ions chlorure et sulfate. L’attaque sulfatique affecte surtout la pâte de ciment par des mécanismes physico-chimiques complexes et couplées entrainant la ruine mécanique, souvent liée à l’expansion par la formation de produits expansifs tels que le l’ettringite et le gypse. Les ions chlorure peuvent engendrer une corrosion des armatures Ces deux pathologies sont largement étudiées dans la littérature. Cependant, l’ASE est encore sujette à controverses, ce qui peut expliquer l’absence d’un essai normé européen. La prédiction de la durée de vie des ouvrages dans des conditions couplant le jeune âge, la prise en compte des ions sulfate et chlorure ainsi que le pH du milieu peut être très complexe. Dans ce contexte, nous avons tout d’abord comme finalité avec cette étude de proposer un essai le plus représentatif possible des conditions d’exposition réelles, particulièrement dans le cas de l’ASE. L’attention est portée sur les effets de la cure dans les aspects physico-chimiques de l’ASE, du transfert et l’interaction de la matrice cimentaire avec les ions chlorure en conditions saturées et de de semi-immersion et l’effet d’un environnement couplant ces ions délétères sur les évolutions de la microstructure des pâtes de ciment jeune et mature à base de ciment Portland, de type CEM I et un ciment mélangé au laitier, de type CEM III/A. Le couplage de plusieurs techniques d’analyses expérimentales a permis la prise en compte de l’aspect physique du transport ionique, et l’aspect chimique par quantification de la microstructure avant et après la contamination par les éventuels ions. Cette quantification est réalisée en couplant plusieurs méthodes expérimentales comme les analyses thermiques ATG/ATD et la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN de l’27Al et RMN du 29Si). Dans le cas de l’ASE, ces analyses ont montré à la fois l’effet neutre de la cure sur la propagation des ions sulfate dans la matrice et l’effet important sur les mécanismes de fixation chimique entre les ions sulfates apportées par la solution et les hydrates de la pâte de ciment. Ces essais ont aussi mis en évidence l’effet néfaste de l’exposition dès le jeune âge à la solution de sulfate de sodium dans le cas des pâtes de ciment au laitier. A l’inverse la cure saine longue dans l’eau a un effet négatif vis-à-vis de la résistance l’ASE des pâtes de ciment Portland. La compétition ionique dans le cas du couplage est mise en évidence. Cette compétition a un effet mitigé quant au transport et la fixation des ions chlorure. La capacité de fixation des ions est plus grande dans le cas du ciment CEM III/A, en présence ou non d’ions sulfate.Mots Clés: pâte de ciment, attaque sulfatique externe (ASE), jeune âge, chlorure, couplage ionique, RMN 29 Si et RMN 27Al, ATG/ATD, ICP / In industrial practice, concrete structural elements are exposed to various physical and chemical aggressions as soon as their formwork is removed. This early age exposure has an obvious influence on the element future transfer properties. Indeed, in some cases, these structures are directly immersed in sea water, rich in chloride and sulfate ions. Ingress of sulfate ions from the external environment and its consequences on the microstructure are known as External Sulfate Attack (ESA). Sulfate ion in seawater or underground can attack the cement paste leading to expansion and strength loss. This expansion is usually related to ettringite and gypsum precipitation. The chloride ions can cause corrosion of the reinforcements steel bars. This two pathologies are widely studied in the literature. However ESA is still controversial, which may explain the need of a European standardized test. Predicting the durability of concrete under conditions involving an early age exposure, the inclusion of chloride and sulfate ions and the pH of the external mixtures can be very complex. One of the aim of this work is to purpose a test as representative as possible of field conditions, particularly to study the ESA under controlled conditions (the pH and the external solution content). Tests are done in saturated and partially-immersed conditions. We focus on the initiation process of this degradation. The physicochemical aspects of ESA are studied. The impact of an early age exposure is highlighted in the case of ESA and chloride ingress. The microstructure changes are monitored by using several experimental techniques such as NMR (29Si and 27 Si), ICP, TGA, XRD and SEM. These analyses showed a neutral effect of an early age exposure on the sulfate ingress in both cement types (CEM I and CEM III/A). However, a negative effect of slag cement is observed after only 3 months of exposure the sulfate sodium solution at early age. Also, neither cracker when the slag cement paste are exposed after curing. Conversely, Portland cement paste resist very well and long to ASE, for an early age exposer and fail for the cured specimens. Ionic competition in the coupling case is highlighted. This competition has a mixed effect on the transport and attachment of chloride ions. The ion binding capacity is greater in the case of cement CEM III / A, in the presence or absence of sulfate ions.Key words: cement paste, External sulfate attack, ESA, early age, chloride and sulfate ingress, marine environment, RMN 29 Si and RMN 27Al, ATG/ATD, ICP

La cristallisation d'un sel initialement dissous dans l'eau contenue dans des matériaux poreux tels que les ciments, béton, mortiers, briques, ..., est une cause majeure de dégradations intervenant dans les constructions et dans certains éléments de notre patrimoine culturel (monuments, murs, sculptures, fresques, ...). Les sels cristallisés à la surface du milieu poreux (efflorescence) n'affectent pas généralement la durabilité de l'ouvrage mais pose un réel problème esthétique pour les façades des bâtiments. Dans le cas d'une cristallisation interne au milieu, les contraintes exercées sur la matrice solide peuvent endommager l'ouvrage allant jusqu'à l'apparition de fissures. Dans ce contexte, le présent travail porte sur l'évaporation avec cristallisation de sel en milieu granulaire et plus précisément sur l'étude de la localisation des cristaux et des déplacements mécaniques induits. La première partie de cette thèse porte sur l'étude des facteurs contrôlant la localisation des cristaux à la surface d'un milieu hétérogène et s'appuie sur l'identification de deux situations de base. Dans la première situation dite de mèche, le milieu poreux est en contact permanent avec une solution saline qui l'alimente à sa base. Cette situation peut correspondre à des parties basses de murs ou d'ouvrages, lorsque le matériau est proche de l'eau des sols. La deuxième situation dite de séchage peut correspondre à des matériaux situés suffisamment en hauteur dans un mur ou un ouvrage. Contrairement au cas de la situation de mèche, le milieu poreux n'est pas alimenté en solution quand l'évaporation se produit. Ces deux situations conduisent à des localisations exactement opposées: à la surface du milieu grossier en séchage, à la surface du milieu fin pour la situation de mèche. Dans le cas de la situation de mèche, la modélisation proposée montre que la structure de l'écoulement joue un rôle clé dans la localisation de la cristallisation alors que pour la situation de séchage, la désaturation préférentielle du milieu grossier est un effet dominant. Concernant la colonisation de la totalité de la surface du milieu poreux par l'efflorescence, l'étude suggère qu'il existe une vitesse d'évaporation critique au regard de laquelle ce phénomène apparait. La deuxième partie de la thèse est dédiée au phénomène de surrection de surface (" surface heave ") à l'aide d'expériences au sein de cellules quasi bidimensionnelles de type Hele Shaw complétés par des expériences en milieu granulaire confiné au sein de tubes cylindriques. Un modèle de croissance de la subflorescence est proposé dans lequel la loi de croissance de la subflorescence est contrôlée par l'évaporation. Ce modèle prédit une très légère sursaturation en haut de la subflorescence compatible avec l'existence d'une pression de cristallisation. Ce modèle permet d'identifier deux régimes principaux de déplacement: un régime dit de désaturation de la subflorescence et un régime de colmatage. Des expressions simples sont proposées pour estimer la croissance de la subflorescence et donc le déplacement induit. Ces relations permettent de déterminer la sursaturation au sommet de la subflorescence et donc la pression de cristallisation. / The crystallization of salt, initially dissolved in water, from porous materials (like cements, concrete, mortar, bricks) is a major cause of degradation occurring in buildings and in certain elements of our cultural landscape (monuments, walls, sculptures, frescoes,). Salt crystallization at the surface of a porous medium (efflorescence) don't affect structure durability but create an aesthetic problem for building construction. However, when salt crystallization occurs inside the porous media (subflorescence), pressure on the solid matrix can damage structures by cracking. In this context, the present work focuses on evaporation with salt crystallization in a granular medium and in particular on the locus of crystals and induced mechanical displacements. The first part of this thesis focuses on the study of the factors controlling the localization of crystals atthe surface of an heterogeneous medium. This study is based on the identification of two basic situations of evaporation. In the first so-called evaporation wicking situation, the porous medium is in contact at its bottom with an aqueous solution and the medium remains fully saturated by the solution during evaporation. This situation may correspond to lower parts of walls or structures, when the material is close to the ground water. The second so-called drying situation can correspond to materials located sufficiently high in a wall or a structure. Contrary to the case of wicking situation, the porous medium isn't supplied with a saline solution when evaporation occurs. These two situations lead to a markedly different locus of the efflorescence formation: on the surface of the coarse medium in drying situation and on the surface of the fine medium for the wicking situation. The study emphasizes the key-role of the velocity field induced in the porous domain in the case of the evaporation-wicking situation. In the case of the drying situation, a key aspect lies in the local increase in the ion mass fraction due to the local desaturation, i.e. the local shrinking of the liquid volume containing the ions. Regarding the colonization of the entire surface of the porous medium by efflorescence, the study suggests that there is a critical evaporation rate against which this phenomenon appears. The second part of the thesis deals with the study of surface heave phenomena using experiments in quasi-two-dimensional Hele-Shaw cell supplemented by experiments in a confined granular medium of cylindrical tubes. A growth model of subflorescence is proposed in which the growing subflorescence is controlled by evaporation and not by the precipitation of salt. This model predicts a very slight supersaturation on the top of the subflorescence compatible with the existence of a crystallization pressure. This model makes it possible to identify two main regimes of displacement: a regime known as desaturation of the subflorescence and a clogging regime. Simple expressions are proposed to estimate the growth of subflorescence and thus the induced displacement. These relationships make it possible to determine the supersaturation at the top of the subflorescence and therefore the crystallization pressure.

Cette thèse présente un cadre général pour l’étude de schémas de discrétisation nodaux sans maillageformulé en termes d’opérateurs discrets définis sur un nuage de points : intégration volumique et de bord, gradientet opérateur de reconstruction. Ces définitions dotent le nuage de points d’une structure plus faible que celledéfinie par un maillage, mais partageant avec elle certain concepts fondamentaux. Le plus important d’entre euxest la condition de compatibilité intégro-différentielle. Avec la consistance linéaire du gradient discret, cet analoguediscret de la formule de Stokes constitue une condition nécessaire à la consistance linéaire des opérateurs elliptiquesen formulation faible. Sa vérification, au moins de manière approchée, permet d’écrire des discrétisations dont le tauxde convergence est optimal. La construction d’opérateurs discrets compatibles est si difficile que nous conjecturons– sans parvenir à le démontrer – qu’elle nécessite soit la résolution d’un système linéaire global, soit la constructiond’un maillage : c’est "la malédiction sans-maillage". Trois grandes approches pour la construction d’opérateursdiscrets compatibles sont étudiées. Premièrement, nous proposons une méthode de correction permettant de calculerl’opérateur gradient compatible le plus proche – au sens des moindres carrés – sans mettre à mal la consistancelinéaire. Dans le cas particulier des gradients DMLS, nous montrons que le gradient corrigé est en réalité globalementoptimal. Deuxièmement, nous adaptons l’approche SFEM au cadre opérateur et constatons qu’elle définit desopérateurs consistants à l’ordre un et compatibles. Nous proposons une méthode d’intégration discrète exploitantla relation topologique entre les cellules et les faces d’un maillage qui préserve ces caractéristiques. Troisièmement,nous montrons qu’il est possible de générer tous les opérateurs sans maillage rien qu’avec la donnée d’une formuled’intégration volumique nodale en exploitant la dépendance fonctionnelle des poids volumiques nodaux par rapportà la position des noeuds du nuage, l’espace continu sous-jacent et le nombre de noeuds. Les notions de consistance desdifférents opérateurs sont caractérisées en termes des poids volumiques initiaux, formant un jeu de recommandationpour la mise au point de bonnes formules d’intégration. Dans ce cadre, nous réinterprétons les méthodes classiquesde stabilisation de la communauté SPH comme cherchant à annuler l’erreur sur la formule de Stokes discrète.L’exemple des opérateurs SFEM trouve un équivalent en formulation volume, ainsi que la méthode d’intégrationdiscrète s’appuyant sur un maillage. Son écriture nécessite toutefois une description très précise de la géométriedes cellules du maillage, en particulier dans le cas où les faces ne sont pas planes. Nous menons donc à bienune caractérisation complète de la forme de telles cellules uniquement en fonction de la position des noeuds dumaillage et des relations topologiques entre les cellules, permettant une définition sans ambigüité de leur volume etcentre de gravité. Enfin, nous décrivons des schémas de discrétisation d’équations elliptiques utilisant les opérateurssans-maillage et proposons plusieurs possibilités pour traiter les conditions au bord tout en imposant le moinsde contraintes sur la position des noeuds du nuage de points. Nous donnons des résultats numériques confirmantl’importance capitale de vérifier les conditions de compatibilité, au moins de manière approchée. Cette simple recommandation permet dans tous les cas d’obtenir des discrétisations dont le taux de convergence est optimal. / This thesis introduces a general framework for the study of nodal meshless discretization schemes. Itsfundamental objects are the discrete operators defined on a point cloud : volume and boundary integration, discretegradient and reconstruction operator. These definitions endow the point cloud with a weaker structure than thatdefined by a mesh, but share several fundamental concepts with it, the most important of them being integrationdifferentiationcompatibility. Along with linear consistency of the discrete gradient, this discrete analogue of Stokes’sformula is a necessary condition to the linear consistency of weakly discretized elliptic operators. Its satisfaction, atleast in an approximate fashion, yields optimally convergent discretizations. However, building compatible discreteoperators is so difficult that we conjecture – without managing to prove it – that it either requires to solve a globallinear system, or to build a mesh. We dub this conjecture the "meshless curse". Three main approaches for theconstruction of discrete meshless operators are studied. Firstly, we propose a correction method seeking the closestcompatible gradient – in the least squares sense – that does not hurt linear consistency. In the special case ofMLS gradients, we show that the corrected gradient is globally optimal. Secondly, we adapt the SFEM approachto our meshless framework and notice that it defines first order consistent compatible operators. We propose adiscrete integration method exploiting the topological relation between cells and faces of a mesh preserving thesecharacteristics. Thirdly, we show that it is possible to generate each of the meshless operators from a nodal discretevolume integration formula. This is made possible with the exploitation of the functional dependency of nodal volumeweights with respect to node positions, the continuous underlying space and the total number of nodes. Consistencyof the operators is characterized in terms of the initial volume weights, effectively constituting guidelines for thedesign of proper integration formulae. In this framework, we re-interpret the classical stabilization methods of theSPH community as actually seeking to cancel the error on the discrete version of Stokes’s formula. The example ofSFEM operators has a volume-based equivalent, and so does its discrete mesh-based integration. Actually computingit requires a very precise description of the geometry of cells of the mesh, in particular in the case where its facesare not planar. We thus fully characterize the shape of such cells, only as a function of nodes of the mesh andtopological relations between cells, allowing unambiguous definition of their volumes and centroids. Finally, wedescribe meshless discretization schemes of elliptic partial differential equations. We propose several alternatives forthe treatment of boundary conditions with the concern of imposing as few constraints on nodes of the point cloudas possible. We give numerical results confirming the crucial importance of verifying the compatibility conditions,at least in an approximate fashion. This simple guideline systematically allows the recovery of optimal convergencerates of the studied discretizations.

L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est de caractériser la texture et la rhéologie des milieux granulaires en fonction de la polydispersité de forme et de taille des particules mais aussi en fonction de la cohésion interne des particules lorsqu'elles sont fragmentables, en vue d'une meilleure compréhension du procédé de fabrication des compacts. Pour ces études, nous avons utilisé la méthode de Dynamique des Contacts avec un modèle de rupture des particules. Nos analyses montrent que la polydispersité de forme peut jouer un rôle important lorsque la polydispersité de taille est faible. Par exemple, la résistance au cisaillement est presque indépendante de la polydispersité de taille mais elle diminue lorsque les formes deviennent plus irrégulières. La fragmentation des particules est fortement hétérogène en raison de la redistribution des contraintes au sein du matériau. Celui-ci garde la mémoire de la distribution granulométrique initiale, mais une classe intermédiaire de tailles se développe avec une distribution en loi de puissance des tailles et un rapport d'aspect moyen proche du nombre d'argent. Au cours du cisaillement, les déformations se localisent dans des bandes avec une compacité supérieure au reste du matériau en raison de la fragmentation des particules. La fragmentation tend également à annuler la dilatance et le pic de contrainte. / The general objective of the work presented in this dissertation is to investigate the microstructure and rheology of granular materials as a function of size and shape polydispersity of the particles, and to analyze the role of particle fragmentation as a function of the internal cohesion of particles in view of a better understanding of the manufacture process of powder compacts. For this work, we used numerical simulations by means of the Contact Dynamics method with a model of particle fracture. Our results suggest that shape polydispersity may play an important role when size polydispersity is low. For example, the shear strength is nearly independent of size distribution but declines when the particles becomes increasingly more irregular in shape. The process of particle fragmentation is found to be highly inhomogenious as a result of stress redistribution. The memory of the initial size distribution is mainly conserved in the class of larger particles while a class of intermediate sizes develops with a power-law size distribution and a mean aspect ratio close to the silver number independently of the initial size distribution. During shear, the strain is localized in shear bands of large solid fraction as a consequence of particle fragmentation and enhanced size polydispersity. Particle fragmentation tends to reduce dilatancy and the peak shear strength.

Le sujet de thèse concerne la maîtrise de la texturation de milieux granulaires par l'étude des dynamiques de structuration et de consolidation et l'application aux poudres céréalières réactives. La démarche s'appuie sur la confrontation d'approches scientifiques complémentaires (physique, physico-chimiques, génie des procédés et technologiques) pour étudier les dynamiques (i.e. évolutions cinétiques sous contraintes mécaniques) de structuration, de croissance, de rétraction et de consolidation. La méthodologie s'appuie sur la mise en œuvre d'une approche multi échelles. (i) À l'échelle des procédés, avec une approche technologique (basée sur une étude paramétrique avec des expérimentations à l'échelle pilote) et avec la construction d'un modèle de description des processus. (ii) À l'échelle des mécanismes pour étudier la génération de contacts (i.e. mécanismes de croissance) et la consolidation des interfaces (i.e. mécanismes de solubilisation & de séchage), avec des approches physico-chimiques expérimentales et le développement de modèles mécanistiques. (iii) À l'échelle de la structure : description de la microstructure interne (distribution de la compacité) et des caractéristiques texturales locales des structures formées. La thèse de doctorat prend en compte la réactivité des poudres pour la construction de modèles mécanistiques de croissance et de consolidation des milieux granulaires. Ces travaux trouvent des applications évidentes pour la filière céréales. / The PhD thesis subject concerns the control of the structures of granular matters, by the study of the dynamics of structuring and consolidation, and the application in reactive cereal powders. The approach leans on the confrontation of complementary scientific approaches (physical, physico-chemical, process engineering and technological) to study the dynamics (i.e. kinetic evolutions under mechanical stresses) of structuring, growth, shrinkage and consolidation. The experimental methodology is based on a multi-scales approach. (i) On the scale of the processes, with a technological approach (based on a parametric study with experiments using pilot scales equipments) and with the construction of a descriptive model of the reactions. (ii) On the scale of mechanisms, to study the generation of contacts (i.e. mechanisms of growth) and the consolidation of the interfaces (i.e. mechanisms of solubilization and drying), with experimental physico-chemical approaches and development of mechanistic models. (iii) On the scale of the structure, with the description of the intern microstructure (distribution of the compactness) and the measurement of local characteristics of the structures. The PhD thesis takes into account the reactivity of powders for the construction of mechanistic models to describe the growth and the consolidation mechanisms of the granular matter. These works find obvious applications for the cereal sector.

Le retournement temporel (RT) est une méthode qui permet de faire revivre à une onde sa vie passée et de la faire ainsi reconverger sur la source qui lui a donné naissance. Au cours de cette thèse, nous avons étudié – expérimentalement et numériquement – le RT des ondes ultrasonores dans des milieux granulaires. En se propageant de grains en grains, les ondes ultrasonores fournissent une sonde unique du réseau hétérogène 3D des contacts. Pour des ondes se propageant en régime de diffusion multiple, nous montrons que la focalisation est globalement robuste mais toutefois sensible à des mouvements des grains à des échelles spatiales bien plus fines que la longueur d’onde. À cet égard, la propagation d’une onde ultrasonore à travers le réseau discret et métastable des contacts entre grains apparaît comme une situation intermédiaire entre l’instabilité du mouvement d’une particule dans un gaz de Lorentz et la propagation d’une onde ultrasonore dans une matrice homogène remplie d’obstacles diffusants. Lorsque l’amplitude de la source augmente, nous entrons dans un régime nonlinéaire où l’onde elle-même provoque des réarrangements du milieu, ce qui conduit à la dégradation de la focalisation obtenue par retournement temporel de ladite onde. Celle-ci n’agit alors plus seulement comme une sonde, mais aussi comme une « pompe ». Enfin, nous montrons que le RT d’une onde de faible amplitude, mais allongée dans le temps par la diffusion multiple, peut être utilisé pour focaliser une onde de grande amplitude en un point du milieu et y déclencher ainsi de façon contrôlée des réarrangements irréversibles du réseau des contacts. L’ensemble de ces résultats est supporté par un modèle numérique vectoriel fondé sur un système masses-ressorts percolé bidimensionnel. / : Time reversal (TR) is a technique which gives the possibility to make a wave relive its life in reverse chronology, and to focus back to its source. In this thesis, TR of ultrasound in granular media has been investigated experimentally and numerically. By propagating from grain to grain, ultrasounds provide a unique probe of the heterogeneous 3D contact network. We show that for multiply scattered waves, the focusing is essentially robust but sensitive to displacements of grains on a scale much smaller than the wavelength. In this respect, the ultrasound propagation through the discrete and metastable contact network between the grains appears to represent an intermediary situation between the instability in the propagation of a particle in a Lorentz gas and the propagation of ultrasounds in an homogeneous medium filled with scatterers. When the source amplitude is increased, a non-linear regime is reached where the wave itself triggers rearrangements in the medium, thus degrading the quality of the TR focusing. In this regime, the wave acts not only as a probe, but also as a « pump ». Finally, we show that the TR of a small-amplitude multiply-scattered wave can be used to focus a high-amplitude wave in the medium and trigger in a controlled way irreversible rearrangements of the contact network. These results are supported by a vectorial numerical model based on a 2D percolated masses-springs network.

L'adolescence est une période importante de la vie caractérisée par des changements majeurs psychologiques et comportementaux qui ont été théoriquement et empiriquement reliés aux changements dans l'environnement social. Les différents milieux de vie des adolescents leur offrent un «terrain de jeu» pour explorer, tester, développer et intégrer des compétences cruciales nécessaires à l’interaction sociale, comme les comportements prosociaux. À l'adolescence, les relations entre pairs deviennent plus saillantes et plus importantes qu’a toute autre période de la vie. Au-delà des contextes familial et scolaire, les adolescents consacrent beaucoup de temps à différentes activités avec des pairs. Parmi ces activités, nous nous sommes focalisées sur la participation à des activités extrascolaires qui sont considérés comme un milieu de vie important dans le développement positif des adolescents.Le premier objectif de cette thèse était de mieux comprendre le rôle des milieux de vie dans l'empathie et les comportements prosociaux à l'adolescence. Nous avons développé et examiné un modèle théorique intégratif des relations entre les caractéristiques positives et négatives des milieux de vie (famille, classe et groupe de pairs extrascolaire), la perception par les adolescents des comportements prosociaux dans chacun de ces milieux de vie et de leurs propres comportements prosociaux, en tenant compte du rôle médiateur de l'empathie.Le deuxième objectif était de mieux comprendre les relations longitudinales bidirectionnelles entre l'empathie et les comportements prosociaux à l'adolescence, en mettant un accent particulier sur les processus internes à la personne.Enfin, le troisième objectif était de mieux comprendre les trajectoires de développement de l’empathie et des comportements prosociaux des adolescents en prenant en compte leur participation à des activités extrascolaires.Nous avons conduit un recueil de données longitudinales à 3 vagues avec un intervalle d’un an. Les adolescents ont répondu à des questions concernant les caractéristiques des trois milieux de vie, les comportements prosociaux dans chacun d’eux, leur participation extrascolaire, ainsi que leur empathie et leurs comportements prosociaux.Nos résultats suggèrent que les caractéristiques des groupes de pairs extrascolaires et de la famille (en particulier les plus négatives) et la perception de leurs comportements prosociaux jouent un rôle majeur dans les comportements prosociaux des adolescents via l'empathie à l'adolescence. Ils montrent également que l’empathie est un prédicteur des comportements prosociaux et que les trajectoires de développement de l’empathie et des comportements prosociaux à l’adolescence sont différentes chez ceux qui participent à des activités extrascolaires où on n’observe pas de trajectoire développementale décroissante comparé à ceux qui n’y participent pas.En utilisant une seule approche théorique dans trois milieux de vie différents, nous avons pu saisir les caractéristiques communes et spécifiques de la famille, du groupe-classe et des groupes de pairs extrascolaires, qui ont une influence sur les comportements prosociaux des adolescents. De plus, prendre en compte les différences entre les individus et les processus de développement intra-individuels, l’hétérogénéité des trajectoires développementales concernant l’empathie et les comportements prosociaux à l’adolescence est essentiel pour saisir l’interaction complexe entre la famille, la classe, le groupe de pairs extrascolaire, l’empathie et le développement prosocial / Adolescence is a significant period in life that is characterized by major changes that have been theoretically and empirically related to changes in social environments. Adolescents different living environments offer the “playground” to explore, to test, to develop and integrate social cues and crucial abilities that are necessary for social interaction, such as prosocial behaviours. During adolescence, peer relationships become more salient and prominent than in any other period in life. Away from the family and the school context, adolescents spend a large amount of time in activities with peers. Among these activities we focused on extracurricular activity participation, that have been conceptualised as an important developmental context of adolescents’ livesThe first aim of this dissertation was to provide more insight into the role of living environments in relation to empathy and prosocial behaviours in adolescence. We developed and examined an integrative model of the relations between positive and negative living environment features, adolescents’ perceptions of prosocial behaviours across the three contexts (family, class and extracurricular peer group) and their own prosocial behaviours, taking into account the potential mediating role of empathy.The second aim was to provide more insight into the bidirectional longitudinal relations between empathy and prosocial behaviours during adolescence, with a special focus on the within-person processes.Finally, the third aim of this dissertation was to provide more insight into adolescents’ prosocial behaviours and empathy developmental trajectories considering extracurricular activity participation.This dissertation used data from a 3-Wave longitudinal study gathered during the three years of the PhD with data collected at one-year intervals. Adolescents answered questions concerning the features of the living environment, their peer group’s and parents’ prosocial behaviours, extracurricular activity participation, and their own empathy and prosocial behaviour.Our findings suggest that extracurricular peer group features, family features (particularly the negative ones) and extracurricular peer group and parents’ prosocial behaviours play a major role in adolescents’ prosocial behaviours via empathy in adolescence.Therefore, we found that empathy is a driver of prosocial behaviours. We also identified that latent class growth for empathy and prosocial behaviour were different in the extracurricular activity group for which there was no downward trend trajectory over time compared to the non-extracurricular group.Using one approach across three living environments allowed us to capture the common and specific features of the family, school and extracurricular peer group contexts that influence adolescents’ prosocial behaviours. Furthermore, our results highlighted the need to acknowledge the between person differences and the within-person processes of development. Moreover, it is important to consider the heterogeneity of developmental trajectories concerning empathy and prosocial behaviours during adolescence if we want to capture the complex interplay between family, class, extracurricular peer group, empathy and prosocial development.