Saturated permeability is likely a good method for characterizing the susceptibility of portland cement concrete to various forms of degradation; although no widely accepted test exists to measure this property. The hollow cylinder dynamic pressurization test is a potential solution for measuring concrete permeability. The hollow cylinder dynamic pressurization (HDP) test is compared with the radial flow through (RFT) test and the solid cylinder dynamic pressurization (SDP) test to assess the accuracy and reliability of the HDP test. The three test methods, mentioned above, were used to measure the permeability of Vycor glass and portland cement paste and the results of the HDP test were compared with the results from the SDP and RFT tests. When the HDP and RFT test results were compared, the measured difference between the mean values of the two tests was 40% for Vycor glass and 47% for cement paste. When the HDP and SDP tests results were compared, the measured difference with Vycor glass was 53%. The cement paste permeability values could not be compared in the same manner since they were tested at various ages to show the time dependency of permeability in cement paste. The results suggest good correlation between the HDP test and both the SDP and RFT tests. Furthermore, good repeatability was shown with low coefficients of variation in all test permutations. Both of these factors suggest that the new HDP test is a valid tool for measuring the permeability of concrete materials.

Cette thèse vise à caractériser l’influence d’une phase adsorbée sur les déformations instantanées en milieu microporeux qui se distinguent par la présence de pores de diamètres inférieurs à 2 nanomètres. Les charbons, activés ou naturels, les roches à faibles perméabilités, les argiles et de nombreux biomatériaux rentrent dans cette catégorie. Par la présence d'une grande surface spécifique (surface développée du milieu poreux, de l’ordre de 100 à 1000 m2/g), les matériaux microporeux peuvent piéger, sous forme adsorbée, une grande quantité de molécules de fluide avec des applications dédiées à la récupération d’hydrocarbure, au stockage géologique, à la séparation, la catalyse ou au transport de médicament. Pour ces matériaux microporeux, une déviation de la poromécanique classique, introduite par Biot, est attendue. Dans les plus petits pores, de taille nanométrique, ces molécules de fluide se trouvent fortement confinées et leurs interactions sont modifiées. Cet effet a comme conséquence un gonflement macroscopique du milieu poreux. Le gonflement in situ induit par adsorption dans les charbons naturels a été identifié comme étant la source principale de la chute d’injectivité de CO2 lors de la production assistée de CH4 dans des veines de charbon. Les matériaux poreux naturels et de synthèse sont généralement composés d’une double porosité: la microporosité où le fluide est piégé sous forme adsorbée et une méso ou macroporosité nécessaire pour assurer le transport de fluide vers les nanopores. Le gonflement induit par adsorption de la matrice referme la porosité de transport, réduit la perméabilité globale du système poreux. Ce travail présente un nouveau modèle poromécanique étendu permettant de prédire les gonflements induits par adsorption de gaz en tenant compte de la variation incrémentale de la porosité au cours du gonflement. Ce modèle est tout d’abord développé dans le cas de milieux poreux purement microporeux, homogènes et isotropes, saturés par un fluide en conditions isothermes et réversibles. Le modèle est ensuite étendu au cas d’un milieu poreux présentant une double porosité, c’est à dire une porosité d'adsorption et une porosité de transport. Il présente l’originalité de n’avoir aucun paramètre à identifier au cours du trajet de chargement. Les caractéristiques poromécaniques initiales et les quantités adsorbées sont les uniques paramètres du modèle. Dans cette étude, un développement d'une nouvelle technique expérimentale de mesures simultanées de quantités adsorbées et de déformations induites par adsorption est réalisé. Le nouveau banc d’essai met en jeu une technique manométrique de mesure d’isotherme d’adsorption couplée à une mesure de déformations en plein champ par corrélation d’images numériques. Après une étude complète des incertitudes de mesure, la montage est validé en comparant avec des mesures de quantités adsorbées de CH4 et de CO2 sur un charbon actif de référence obtenues par la technique gravimétrique. Le banc d’essai développé est ensuite utilisé pour tester le nouveau modèle poromécanique sur un charbon actif. Ce matériau présente la particularité de posséder à la fois une microporosité et une macroporosité importantes. Les mesures et les estimations de déformations induites par adsorption sont confrontées. Un très bon accord est obtenu, validant le modèle développé. Une étude d’un charbon naturel issu d’un réservoir naturel est enfin réalisée. L’obtention de cartes de déformation en plein champ permet de visualiser directement l'évolution du réseau de failles naturelles lors de l'adsorption de gaz et d’isoler des zones homogènes entre ces failles où le modèle développé peut s’appliquer. Là encore, une comparaison modèle-expérience présente un bon accord. / This research study aims at characterizing the influence of an adsorbed phase on the instantaneous deformations in microporous media (width pores < 2nm). Activated or natural carbons, tight rocks, clay, cementitious materials and numerous biomaterials such as bones are among these materials. In recent years, a major attention has been paid on these microporous materials because the surface-to-volume ratio (i.e., the specific pore surface) increases with decreasing characteristic pore size. These materials can trap an important quantity of fluid molecules as an adsorbed phase. This is important for applications in petroleum and oil recovery, gas storage, separation. For these microporous materials, a deviation from standard poromechanics, which was introduced by Biot 75 years ago, is expected. In very small pores, the molecules of fluid are confined. Interaction between molecules is modified. This effect, denoted as molecular packing, includes fluid-fluid and fluid-solid interactions and has significant consequences at the macroscale, such as instantaneous swelling. In-situ adsorption-induced coal swelling has been identified as the principal factor leading to a rapid decrease in CO2 injectivity during coal bed methane production enhanced by CO2 injection. Generally, natural and synthesised porous media are composed of a double porosity: the microporosity where the fluid is trapped as an adsorbed phase and a meso or a macro porosity required to ensure the transport of fluids to and from the smaller pores. If adsorption in nanopores induces instantaneous deformations at a higher scale, the matrix swelling may close the transport porosity, reducing the global permeability of the porous system or annihilating the functionality of synthesised materials. The point of view of poromechanic is a mean to understand this problematic. When a porous media is immersed in the gas, the classical poromechanic predicts the shrinkage of the media. This formalism have to extend to take account the adsorption phenomenon. A new poromechanical framework allowing adsorption induced strain predictions by taking into account the incremental variations of porosity upon swelling for pure microporous, isotropic and homogeneous materials saturated by a single fluid in reversible and isothermal conditions was developped. In this study, the model is then extended for double porous media presenting both a microporosity where the fluid is trapped as an adsorbed phase and a transport macroporosity. The porosities are defined by the classification of l'Internationnal Union of Pure and Applied Chemistry. In this study, a new experimental procedure is built for simultaneous measurement of both adsorption and swelling quantities by respectively a manometric technique and a full-field digital image correlation technique. The experimental procedure is applied to test the reliability of the proposed model for a commercial active carbon saturated with pure CH4 and pure CO2. The material has the particularity to present both a high microporosity and a high macroporosity. A good agreement is obtained in term of adsorption induced swelling quantities. Once the model validated, it is used to quantify the decrease of transport macroporosity induced by microporous matrix swelling. The last part is dedicated to the study of a natural carbon extracted from a mine with enhanced coal bed methane recovery potentialities. The material has the particularity to present three different porosities: a microporosity where the gas is trapped, a transport macroporosity and a natural cleat network also participating in the global transport. The obtaining of full-field displacement maps provides insight of the cleat network influence and helps to isolate homogeneous zones where the poromechanical model may be applied and compared to the experimental results. Here again, a good agreement is obtained in term of adsorption-induced swelling quantities.

It is perhaps paradoxical that many material properties arise from the absence of material rather than the presence of it. For example, the strength, stiffness, and toughness of a concrete are related to its pore structure. Furthermore, the volume, size distribution, and interconnectivity of porosity is important for understanding permeability, diffusivity, and capillary action occurring in concrete, which are necessary for predicting service lives in aggressive environments. This research advances the state-of-the-art of multiscale characterization of cement-based materials, and uses this characterization information to model the material behavior under competing durability concerns. In the first part of this research, a novel method is proposed to characterize the entrained air void system. In the second and third parts of this research, microstructural characterization is used in tandem with mechanical models to investigate the behavior of cementitious materials when exposed to rapid rates of loading and to cyclic freezing and thawing. First, a novel analytical technique is presented which reconstructs the 3D entrained air void distribution in hardened concrete using 2D image analysis. This method proposes a new spacing factor, which is believed to be more sensitive to microstructural changes than the current spacing factor commonly utilized in practiced, and specified in ASTM C457, as a measure of concrete's ability to resist to damage under cyclic freeze/thaw loading. This has the potential to improve economy by improving the quality of petrographic assessment and reducing the need for more expensive and time-consuming freeze/thaw tests, while also promoting the durability of concrete. Second, quantitative measurements of the sizes, shapes, and spatial arrangements of flaws which are through to drive failure at strain rates above 100/s were obtained in order to model mortar subjected to high strain-rate loading (i.e., extremes in load rate). A micromechanics model was used to study the ways in which flaw geometry and flaw interaction govern damage. A key finding suggests that dynamic strength may be multimodal, with larger flaws shifting the dynamic strength upwards into the highest strength failure mode. Third, a robust theoretical approach, based upon poroelasticity, is presented to further validate the utility of the novel spacing factor proposed this research. The model is truly multiscale, using in its formulation pore size data ranging from the nanoscale to the micro-scale, entrained air data from the micro-scale to the millimeter scale, and infers a representative volume element on the centimeter scale. The results provide an underlying physical basis for the performance of the novel spacing factor. Furthermore, the framework could be used as a forensic tool, or as a tool to optimize the entrained air void system against freeze/thaw damage.

La prédiction des propriétés mécaniques des matériaux cimentaires nécessite d'un modèle intégrant l'hydratation progressive du matériau, le couplage entre la consommation d'eau et les contraintes et l'historique des charges appliquées. Ceci est particulièrement important lors de la modélisation du comportement de la gaine de ciment des puits pétroliers qui est soumise, dès son plus jeune âge, à une large gamme de chargements mécaniques et thermiques qui pourraient avoir un effet négatif sur ses propriétés mécaniques. L’objectif de cette thèse est de fournir un cadre de modélisation pour le comportement hydro-mécanique d'une pâte de ciment pétrolier dès son plus jeune âge jusqu'à son état durci. Le manuscrit est divisé en deux parties. Partie I : cinétique d'hydratation L’évolution des propriétés physiques des matériaux cimentaires est contrôlée par l'avancement des réactions d'hydratation. Deux approches de modélisation sont présentées:- Un cadre théorique pour la modélisation de l'hydratation du ciment est développé comme une extension des modèles de nucléation et de croissance classiques. Le modèle multi-composants proposé considère explicitement le ciment anhydre et l'eau comme des phases indépendantes participant à la réaction. Un taux de croissance est introduit qui permet de représenter sous une forme mathématique unique la croissance linéaire ainsi que la diffusion parabolique. La formulation introduit naturellement des paramètres des mélanges cimentaires tels que la composition de la poudre de ciment, les densités des différentes phases, le rapport eau/ciment, le retrait chimique et les propriétés des hydrates. Les différents mécanismes de contrôle de la réaction sont identifiés sur la base du modèle physique proposé.- Une loi générale de la cinétique d'hydratation basée sur la théorie des transformations en phase solide est proposée. Cette formulation est comparée aux lois d'évolution trouvées dans la littérature et contribue à fournir une explication physique qui pourrait aider à la compréhension de la cinétique d'hydratation du ciment. Dans les deux cas, les modèles cinétiques sont calés sur une série de résultats expérimentaux. Partie II : loi de comportement mécanique Le comportement mécanique de la pâte de ciment est décrit dans le cadre des milieux poreux réactifs. La pâte de ciment est modélisée en tant que matériau poreux multi-phases avec une loi constitutive élasto-visco-plastique, dont les paramètres dépendent du degré d'hydratation. Le retrait chimique de la pâte de ciment et la consommation d'eau pendant l'hydratation sont pris en compte dans la détermination des déformations macroscopiques. L’évolution des paramètres poroélastiques de la pâte de ciment lors de l'hydratation est calculée à l’aide d'un modèle micromécanique. Une surface de charge asymétrique avec des seuils de compression et de traction est adoptée pour le régime plastique, avec des mécanismes d’écrouissage tenant compte à la fois des déformations plastiques accumulées et du degré d'hydratation. Le comportement visqueux est basé sur les notions de la théorie de solidification. Une courbe de rétention d'eau est introduite pour tenir compte de la désaturation potentielle du matériau lors de l'hydratation. Les paramètres du modèle pour une pâte de ciment pétrolier classe G sont évalués en simulant des expériences de chargement mécanique dans un dispositif spécialement conçu pour tester le comportement thermo-mécanique de la pâte de ciment dès le début de l'hydratation. Le modèle prédit avec une bonne précision la réponse d'une pâte de ciment en cours d’hydratation lorsqu'elle est soumise à divers chemins de chargement dès son plus jeune âge. L'importance de l'histoire de chargement est mise en évidence, ainsi que la nécessité de la détermination des contraintes effectives tout au long de la vie du matériau / The prediction of the performance of cement-based materials requires a holistic model integrating the progressive hydration of the material, the coupling between water consumption and strains, and the history of the applied loadings. This is particularly important when modelling the behavior of the cement sheath in oil wells which is subjected, from its earliest age and during its lifetime, to a wide range of mechanical and thermal loadings that could have a detrimental effect on its future mechanical properties. The aim of the present thesis is to provide a complete modelling framework for the hydro-mechanical behavior of an oil well cement paste from its earliest age to its hardened state. The manuscript is divided in two parts. Part I: Hydration kinetics The evolution of the most significant physical properties of cement-based materials is controlled by the advancement of the hydration reactions. Two different modelling approaches are presented:- A theoretical framework for the modelling of cement hydration is developed as an extension of classical nucleation and growth models. The proposed multi-component model explicitly considers anhydrous cement and water as independent phases participating in the reaction. We also introduce a growth rate that encompasses linear as well as parabolic diffusion growth in a single continuous mathematical form. The formulation naturally introduces some of the most relevant parameters of cement paste mixtures, such as the cement powder composition, mass densities of the different phases, water to cement ratio, chemical shrinkage and hydrates properties. The different rate-controlling mechanisms can be identified and interpreted on the basis of the proposed physical model.- A general hydration kinetics law based on the theory of solid phase transformations is proposed. This formulation is compared with the evolution laws found in the literature and helps providing a physical explanation that could shed light on the understanding of cement hydration kinetics. In both cases, the kinetic models are calibrated over a series of experimental results in order to properly evaluate the quality of the predictions. Part II: Mechanical constitutive law The mechanical behavior of cement paste is described in the framework of reactive porous media. The cement paste is modelled as a multi-phase porous material with an elastic-viscous-plastic constitutive law, with mechanical parameters depending on the hydration degree. Furthermore, the cement paste chemical shrinkage and pore water consumption during hydration are accounted for in the determination of the macroscopic strains. The evolution of the poroelastic parameters of the cement paste during hydration is calculated by means of a micromechanical upscaling model. An asymmetric yield surface with compressive and tensile caps is adopted for the elastoplastic regime, with hardening mechanisms considering both the cumulated plastic deformations and the hydration degree. The viscous behaviour is based on the notions of solidification theory. A water retention curve is introduced to account for the potential desaturation of the material during hydration. The model parameters for a class G cement paste are evaluated by simulating the results of mechanical loading experiments in a device specially designed for testing the thermo-mechanical behavior of cement paste from the early stages of hydration. The results show that the proposed model predicts with good accuracy the response of a hydrating cement paste when subjected to various loading paths from its early age. The importance of the loading history is outlined, as well as the need for the accurate determination of the effective stresses throughout the life of the material

Prédire l’évolution de la perméabilité avec la fissuration constitue un objectif primordial afin d’évaluer les conséquences d’un chargement mécanique sur la durabilité et l’étanchéité des structures. À l’issu de ce travail, un modèle d’évolution du tenseur de perméabilité est proposé. Ce modèle, qui est intégré dans le cadre de la poromécanique et de la théorie de l’endommagement,permet de prédire l’évolution anisotrope du tenseur de perméabilité en fonction de la fissuration. L’originalité de ce travail réside dans la prise en compte des ouvertures de fissure et des tailles anisotropes de l’élément fini durant la construction du tenseur de perméabilité. Ceci permet au débit total d’être indépendant du choix du maillage. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler le débit de fuite dans un tirant en béton armé ainsi que le creusement et la consolidation poroviscoplastique d’une galerie souterraine destinée au stockage profond de déchets radioactifs. Pour cette dernière application, la prise en compte de l’anisotropie induite par la fissuration sur le tenseur de Biot est considérée via une loi issue de l’homogénéisation. Les résultats fournis par ce modèle sont confrontés aux mesures expérimentales in situ. / Cracking in structures significantly affects their durability, water transfer and ultimately their safety. This structural disorder provides a preferential path for the penetration of fluids and contributes significantly to the deterioration of structures. This work provides a macroscopic model intended to predict the change of permeability with respect to cracking. The proposed development is implemented within an orthotropic damage model. It assumes an initially isotropic permeability tensor which becomes anisotropic with damage. The objectivity of the hydraulic response with respect to the finite element mesh is ensured by considering the crack localization problem when building the permeability tensor. The model was used to simulate the flow rate through a reinforced concrete element subjected to tensile loading, as well as to simulate the excavation and the poro-visco-plastic consolidation of an underground gallery designed to store radioactive waste. For the latter application, the induced anisotropy of Biot’s tensor was taken into account using the results provided by the homogenization theory. The simulation results were compared with experimental measurements.

Cette thèse est dédiée au développement de méthodes numériques pour la poromécanique, et à leur application dans un contexte de modélisation cardiaque.Elle est motivée par la prise en compte, dans les modèles de coeur humain, du réseau coronarien qui perfuse le myocarde, afin de mieux décrire les maladies vasculaires coronariennes.Nous appuyant sur des travaux existants, nous proposons un modèle de coeur perfusé, ainsi qu'une réduction 0D permettant de reproduire, à moindre coût de calcul, un cycle cardiaque réaliste avec masse et pression de perfusion. Le modèle mis au point nous permet de reproduire des phénomènes physiologiques auparavant inaccessibles dans les modèles, et d'une grande importance pour des applications cliniques, tels que la vasodilatation et les pathologies coronariennes.L'intégration d'un compartiment poreux pour représenter le myocarde perfusé dans les modèles 3D représente un défi technique d'un autre ordre. Nous inspirant des schémas en temps de type splitting établis en interaction fluide-structure pour modéliser les vaisseaux sanguins, nous proposons une discrétisation semi-implicite d'une formulation générale de poromécanique, satisfaisant un bilan d'énergie au niveau discret. Afin d'illustrer et valider notre démarche, l'environnement de calcul élément finis FreeFem++ nous permet de reproduire des cas tests classiques de gonflement et de drainage de milieux poreux en 2D, puis de vérifier le bilan énergétique discret.Enfin, motivés par l'étude de la discrétisation spatiale de notre problème, nous établissons dans un cadre linéaire un résultat de convergence totale du schéma sous conditions. Cela nous permet de proposer une méthode d'implémentation facile à mettre en oeuvre et présentant de bons résultats de stabilité. FreeFem++ nous permet à nouveau de valider nos résultats en illustrant les pathologies numériques associées à l'incompressibilité, et leur traitement efficace par les stratégies proposées, dans le cadre linéaire puis dans une situation plus générale. / This thesis is dedicated to the development of numerical methods for poromechanics, and to their application in a cardiac modeling context. It is motivated by the introduction into existing cardiac models of the coronary network that perfuses the myocardium, to better describe coronary vascular diseases.Drawing our inspiration from existing works, we propose a perfused heart model, and a 0D reduction allowing the cost-effective reproduction of a realistic cardiac cycle with perfusion mass and pressure. The model derived illustrates physiological phenomena inaccessible in former models, and with great clinical application potential, such as vasodilatation and coronary diseases.The integration of a porous compartment to represent the perfused myocardium within 3D models is more challenging. Relying on splitting time schemes established for fluid-structure interaction to model blood vessels, we propose a semi-implicit discretization of a general poromechanics formulation, satisfying a discrete energy balance. In order to illustrate and validate our approach, we reproduce in the finite element software FreeFem++ classical swelling and drainage 2D test cases, and we monitor the discrete energy balance.Finally, motivated by the study of spatial discretization aspects of our problem, we establish in a linear framework a conditional total convergence result. This enables us to propose a computational method easy to implement and presenting good stability results. FreeFem++ enables us again to validate our results, illustrating numerical pathologies associated with incompressibility, and their efficient treatment with the proposed strategies, first in a linear framework and then in a more general situation.

Les matériaux cimentaires peuvent se détériorer grandement lorsqu'ils sont soumis à des cycles de gel/dégel avec ou sans sels de déverglaçage. Ceci peut porter atteinte à la durabilité à long terme des bétons/mortiers dans les régions aux hivers froids. Laissant de côté les processus d'endommagement et de rupture mécanique à l'oeuvre dans de tels problèmes, ce mémoire de thèse est consacré aux phénomènes physiques et thermo-mécaniques accompagnant la solidification de l'eau dans des solides poreux cohésifs, avec une attention particulière aux «propriétés matériau» issues de l'hydratation du ciment et de l'évolution de la microstructure. Ce travail reprend la poromécanique des milieux poreux partiellement gelés telle que développée par Olivier Coussy, tout en lui adjoignant une analyse de l'effet de la fin de la surfusion (en volume, hors contribution capillaire) et de la présence de sels dans le liquide saturant l'espace poreux. Nous avons mesuré la température de fin de surfusion en fonction de la concentration en sel. Ceci nous permet ensuite de calculer l'angle de contact entre la glace et les parois des pores dans le cadre classique de la nucléation hétérogène : on trouve que cet angle diminue avec la concentration en sel. Nous montrons que la dilatation instantanée consécutive à la fin de la surfusion dépend de la structure poreuse puisque cette dernière détermine la teneur en glace dans l'espace poreux. À l'aide de la distribution de tailles de pores estimée par porosimétrie par intrusion de mercure, nous estimons le degré de saturation en glace en fonction de la température et de la concentration initiale en sel via la relation de Gibbs-Thomson. Nous avons mesuré la déformation d'échantilllons de pâte de ciment saturées. L'analyse poromécanique montre que la déformation dépend de la concentration initiale en sel et de la structure poreuse des pâtes de ciment. En utilisant la même approche expérimentale sur des pâtes de ciment sèches, nous trouvons que la porosité (avec ou sans vide d'air entraîné) influence significativement le coefficient d'expansion thermique du matériau. En ce qui concerne les pâtes de ciment saturées, les mesures expérimentales et l'approche poromécanique en condition drainée ou non-drainée montrent que le degré de saturation initiale en liquide des vides d'air entraîné a un impact important sur la déformation de l'échantillon avec la température / When subject to freezing/thawing cycles with or without deicing salt, cement-based materials can suffer severe damage, which raises the long term sustainability problem of concrete/mortar in cold regions. Leaving aside the precise fracture mechanics and damage processes in this kind of problem, this PhD deals with the physical and thermomechanical phenomena undergone by cohesive porous solids under freezing, with particular attention to the material properties arising from cement hydration and microstructure development. The present work revisits the poromechanics of freezing porous materials developed by Olivier Coussy. This gives the opportunity to add the effect of the bulk supercooling and of salt in the liquid saturating the porous space.We measured the relation between depressed temperature at the end of bulk supercooling and salt concentration. We then obtained that the contact angle between ice and pore wall by heterogeneous nucleation decreases as salt concentration increases. We showed that the instantaneous dilation at the end of bulk supercooling is related to the pore structure because the latter determines the in-pore ice content. Using the pore size distribution measured by mercury intrusion porosimetry, we estimated the ice saturation degree with temperature and NaCl solution at different concentration through the Gibbs-Thomson equation. We measured the deformation of saturated cement pastes. The poromechanical analyses show that the strains depend on the initial salt concentration and pore structure of our cement pastes. By the same experimental approach on dried cement pastes, we concluded that the porosity (with or without air voids) has significant influence on the thermal expansion coefficient of our cement pastes. We also performed measurements on the deformation of saturated air entrained cement pastes. The results obtained by both experiments and poromechanical analyses under drained and undrained conditions showed that the initial saturation degree in air-voids has significant influence on the deformation curves with temperature

Le stockage géologique du carbone dans les veines de charbon est une solution transitoire pour lutter contre le réchauffement climatique. La faisabilité de ce stockage à un coût abordable reste incertaine, en particulier parce que l'injection de dioxide de carbone dans les veines de charbon est lente. Les projets pilotes ont montré que la perméabilité du réservoir diminue lors de l'injection, suite au gonflement du charbon induit par l'adsorption préférentielle du dioxyde de carbone par rapport au méthane présent naturellement. Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude de ce gonflement. Un premier travail théorique a consisté à étendre les équations constitutives de poromécanique classique dans les cas où l'adsorption sur des surfaces ou dans des micropores devient significative. Nous avons montré que le comportement poromécanique du solide ne peut être compris que si la dépendance de l'adsorption en fonction de la déformation du milieu poreux est connue. Le couplage entre adsorption et déformation est peu étudié dans la littérature et difficile à mesurer expérimentalement. Dans ce travail, nous avons utilisé la simulation moléculaire qui permet facilement de contrôler indépendamment la pression du fluide adsorbé et la déformation du milieu poreux. A l'aide de simulations moléculaires d'adsorption dans des systèmes modèles unidimensionnels, nous avons validé les nouvelles équations consitutives. Nous avons montré également que l'adsorption peut dépendre de la déformation de façon complexe et qu'elle est très sensible à la structure des micropores. Les résultats de simulations moléculaires d'adsorption dans un modèle moléculaire réaliste de la matrice organique du charbon nous ont permis de montrer que le gonflement du charbon en présence de fluide peut être expliqué par l'adsorption dans les micropores, mais pas dans les mésopores. Nous avons étudié numériquement le couplage entre adsorption et déformation dans le charbon. Le gonflement estimé en associant les simulations moléculaires d'adsorption aux nouvelles équations constitutives de poromécaniques est en bon accord avec les mesures expérimentales. De même, nous avons simulé l'adsorption de mélanges de dioxide de carbone et de méthane dans le charbon à des températures et pressions représentatives des conditions souterraines. Le résultat de ces simulations a permis d'estimer le gonflement différentiel durant l'injection de carbone pour des veines de charbon à différentes profondeurs. / Pas de résumé en anglais

Intervertebral disc (IVD) degeneration is primarily involved in back pain, a morbidity that strongly affects the quality of life of individuals nowadays. Lumbar IVDs undergo stressful mechanical loads while being the largest avascular tissues in our body: Mechanical principles alone cannot unravel the intricate phenomena that occur at the cellular scale which are fundamental for the IVD regeneration. The present work aimed at coupling biomechanical and relevant molecular transport processes for disc cells to provide a mechanobiological finite element framework for a deeper understanding of degenerative processes and the planning of regenerative strategies. Given the importance of fluid flow within the IVD, the influence of poroelastic parameters such as permeabilities and solid-phase stiffness of the IVD subtissues was explored. A continuum porohyperelastic material model was then implemented. The angles of collagen fibers embedded in the annulus fibrosus (AF) were calibrated. The osmotic pressure of the central nucleus pulposus (NP) was also taken into account. In a parallel study of the human vertebral bone, microporomechanics was used together with experimental ultrasonic tests to characterize the stiffness of the solid matrix, and to provide estimates of poroelastic coefficients. Fluid dynamics analyses and microtomographic images were combined to understand the fluid exchanges at the bone-IVD interface. The porohyperelastic model of a lumbar IVD with poroelastic vertebral layers was coupled with a IVD transport model of three solutes - oxygen, lactate and glucose - interrelated to reproduce the glycolytic IVD metabolism. With such coupling it was possible to study the effect of deformations, fluid contents, solid-phase stiffness, permeabilities, pH, cell densities of IVD subtissues and NP osmotic pressure on the solute transport. Moreover, cell death governed by glucose deprivation and lactate accumulation was included to explore the mechanical effect on cell viability. Results showed that the stiffness of the AF had the most remarkable role on the poroelastic behavior of the IVD. The permeability of the thin cartilage endplate and the NP stiffness were also relevant. The porohyperelastic model was shown to reproduce the local AF mechanics, provided the fiber angles were calibrated regionally. Such back-calculation led to absolute values of fibers angles and to a global IVD poromechanical behavior in agreement with experiments in literature. The inclusion of osmotic pressure in the NP also led to stress values under confined compression comparable to those measured in healthy and degenerated NP specimens. For the solid bone matrix, axial and transverse stiffness coefficients found experimentally in the present work agreed with universal mass density-elasticity relationships, and combined with continuum microporomechanics provided poroelastic coefficients for undrained and drained cases. The effective permeability of the vertebral bony endplate calculated with fluid dynamics was highly correlated with the porosity measured in microtomographic images. The coupling of transport and porohyperelastic models revealed a mechanical effect acting under large volume changes and high compliance, favored by healthy rather than degenerated IVD properties. Such effect was attributed to strain-dependent diffusivities and diffusion distances and was shown to be beneficial for IVD cells due to the load-dependent increases of glucose levels. Cell density, NP osmotic pressure and porosity were the most important parameters affecting the coupled mechano-transport of metabolites. This novel study highlights the restoration of both cellular and mechanical factors and has a great potential impact for novel designs of treatments focused on tissue regeneration. It also provides methodological features that could be implemented in clinical image-based tools and improve the multiscale understanding of the human spine mechanobiology.

The coefficient of thermal expansion (CTE) is one of the major factors responsible for distresses in concrete pavements and structures. Continuously reinforced concrete pavements (CRCPs) in particular are highly susceptible to distresses caused by high CTE in concrete. CRCP is a popular choice across the U.S. and around the world for its long service life and minimal maintenance requirements. CRCP has been built in more than 35 states in the U.S., including Texas. In order to prevent CRCP distresses, the Texas Department of Transportation (TxDOT) has limited the CTE of CRCP concrete to a maximum of 5.5 x10-6 strain/oF (9.9 x10-6 strain/oC). Coarse aggregate sources that produce concrete with CTE higher than the allowable limit are no longer accepted in the TxDOT CRCP projects. Moreover, CTE is an important input in the Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG). Small deviations in input CTE can affect the pavement thickness significantly in MEPDG designs. Therefore, accurate determination of concrete CTE is important, as it allows for enhanced concrete structure and pavement design as well as accurate screening of CRCP coarse aggregates. Moreover, optimizing the CTE of concrete according to a structure’s needs can reduce that structure’s cracking potential. This will result in significant savings in repair and rehabilitation costs and will improve the durability and longevity of concrete structures. This study found that the CTEs determined from saturated concrete samples were affected by the internal water pressure. As a result, the TxDOT method yielded higher values than did the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) method. To further investigate the effect of internal water pressure, an analytical model was developed based on the poroelastic phenomenon of concrete. According to the model, porosity, permeability, and the rate of temperature change are the major factors that influence the internal water pressure development. Increasing the permeability of concrete can reduce the internal water pressure development and can thus improve the consistency of measured CTE values. Preconditioning concrete samples by subjecting them to several heating and cooling cycles prior to CTE testing and reducing the rate of temperature change improved the consistency of the CTE test results. Concrete CTE can be reduced by blending low-CTE aggregates with high-CTE aggregates and reducing the cement paste volume. Based on these findings, a concrete CTE optimization technique was developed that provides guidelines for the selection of concrete constituents to achieve target concrete CTE. A concrete proportioning technique was also developed to meet the need for CTE optimization. This concrete proportioning technique can use aggregate from any sources, irrespective of gradation, shape, and texture. The proposed technique has the potential to reduce the cement requirement without sacrificing performance and provides guidelines for multiple coarse and fine aggregate blends. / text