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

Les aspérités géométriques d'un plan de faille contrôlent en partie toutes les étapes de la rupture sismique, depuis sa nucléation jusqu'à l'arrêt du séisme. L'objectif de ce travail est de caractériser la morphologie des surfaces de faille sur la large gamme d'échelles spatiales impliquées dans les tremblements de terre, puis d'explorer son influence sur l'organisation spatiale du glissement et des contraintes. L'approche utilisée inclue des observations de terrain couplées à une étude numérique et théorique. La combinaison de méthodes récentes de mesures topographiques (LiDAR, rugosimètre laser, interféromètre à lumière blanche), qui couvrent des gammes d'échelles spatiales complémentaires, permet de proposer un modèle géométrique cohérent de cinq zones de failles étudiées (Alpes françaises, Apennins, Turquie, Californie, Nevada). La rugosité des surfaces de failles montre des propriétés de dépendance d'échelle, et plus précisément suit un régime auto-affine anisotrope (l'exposant de rugosité est Hpara = 0.6 dans la direction du glissement et Hperp = 0.8 dans la direction perpendiculaire) depuis la centaine de micromètres jusqu'à plusieurs dizaines de mètres. En complément, l'analyse de la rugosité des ruptures de surface de huit tremblements de terre continentaux majeurs montre qu'un unique régime auto-affine anisotropique et sans longueur caractéristique est maintenu jusqu'à l'épaisseur de la croute sismogénique. Cette description de la géométrie des surfaces de failles et des traces de ruptures, est indépendante du contexte géologique. Plus particulièrement, cette étude met en avant que dès lors qu'un glissement cumulé métrique est atteint sur une faille, la complexité géométrique des portions actives des zones de failles est maintenue quel que soit le déplacement supplémentaire accommodé. Finalement, motivé par des observations de terrain, il est proposé que le processus dominant à l'origine de la rugosité des surfaces de failles puisse être l'interaction mécanique et la coalescence de segments multi-échelles. Deux conséquences émergent de cet état de rugosité. Les distributions spatiales du champ de glissement d'une part et du champ des contraintes lors d'un tremblement de terre d'autre part peuvent être expliquées par la présence de deux interfaces rugueuses auto-affines pressées élastiquement et cisaillées. Notamment, en utilisant un modèle numérique de propagation d'une rupture sur une interface hétérogène, la corrélation entre la rugosité 3-D des failles et la distribution spatiale 2-D du glissement dans le plan est clarifiée. Il est proposé que les hétérogénéités spatiales du glissement visibles sur les modèles cinématiques de rupture sismique soient préférentiellement dominées par les complexités géométriques locales plutôt que par la dynamique du front de rupture lui-même. Par ailleurs, les propriétés auto-affines des lèvres de la faille impliquent que les fluctuations spatiales de la chute de contrainte lors d'un séisme augmentent vers les courtes longueurs d'ondes ; ce qui est confirmé par des observations sismologiques. En considérant un modèle de rupture en cascade, il est alors probable que les failles sont fortement inhomogènes, avec des grands tremblements de terre composés d'une somme de petites aspérités multi-échelles qui subissent de fortes chutes de contrainte. Cette étude met en lumière l'importance des hétérogénéités locales en contrainte et en glissement dans la mécanique des tremblements de terre, et propose de les relier à des propriétés morphologiques self-affines de la surface de faille. / Geometrical asperities on fault planes partially control all stages of earthquake genesis, from the nucleation of a rupture, to its arrest. The present study aims at characterizing the geometrical morphology of fault surfaces on the wide range of spatial length scales involved in earthquakes, and exploring its influence on the spatial organization of slip and stresses during an earthquake. The approach combines field observations, numerical analysis and theory. Using recent methods of high resolution topographic measurements (LiDAR, laser profilometer, white light interferometer), spanning complementary ranges of spatial length scales, a consistent geometrical model emerges for the five fault zones (French Alps, Apennines, Turkey, California, Nevada) studied here. The morphology of the fault surface, i.e. its roughness, is scale dependent, and more specifically follows a self-affine anisotropic regime (the roughness exponent is Hpara = 0.6 in the slip direction and Hperp = 0.8 perpendicular to it) from the scale of hundred of micrometers to several tens of meters. In addition, the roughness analysis of the surface rupture of height major continental earthquakes shows that a single self-affine regime is maintained up to the thickness of the seismogenic crust, without any characteristic length scale. This description of the geometry of the fault scarps and rupture traces is independent of the geological context. More particularly, this study highlights that once a fault has achieved a cumulated a small offset no larger than one meter, the roughness of the active portion of the fault zone is maintained even if further slip is accommodated. Finally, motivated by field observations, it is proposed that the main process causing the roughness of fault surfaces can be the mechanical interaction and coalescence of multi-scale segments. Based on a numerical and theoretical approach, the spatial distribution of both the slip and stress fields during an earthquake can be understood by the presence of two self-affine rough interfaces elastically squeezed and sheared. Using a numerical model of rupture propagation on a heterogeneous interface, the link between the 3-D fault roughness and the 2-D spatial distribution of the slip is clarified. It is proposed that the spatial heterogeneity of the slip observed on kinematic models of earthquake rupture is preferentially dominated by the local geometrical complexity rather than the dynamic of rupture itself. Moreover, the self-affine properties of the fault interfaces imply that the spatial fluctuations of the stress drop after a rupture event increase towards shorter wavelengths. Considering a rupture cascade model, it is likely that the faults may be considered as highly inhomogeneous with large earthquakes composed by a sum of multi-scales ruptures of small asperities with large stress drop within an average fault surface with small stress drop. This study emphasizes the importance of local stress and slip heterogeneities on the mechanics of earthquakes and proposes to relate these parameters to the self-affine morphology of the fault surfaces.

L’industrie des nanotechnologies est un monde en constante évolution. Les améliorations dans les techniques de fabrication permettent de définir des composants de plus en plus petits. Afin de vérifier les dimensions fabriquées, la métrologie doit s’adapter et être capable de fournir des analyses basées sur des mesures optiques fiables et répétables. Ces travaux se focalisent dans un premier temps sur les procédés de fabrication des échantillons. Les techniques de dépôts, de photolithographies et de gravure sont présentées. Ces techniques nécessitent des outils de métrologie adaptés permettant un contrôle en ligne. Les équipements de métrologie disponibles sont donc présentés en se focalisant sur les techniques par imagerie comme la microscopie électronique à balayage ou transmission et les techniques par inversion telle que l’ellipsométrie et la scatterometrie. Le troisième chapitre est dédié aux applications de ces techniques en production. Les empilements étudiés sont généralement constitués de couches innovantes. La dernière partie est axée sur des méthodes de caractérisation de la rugosité par diffusion lumineuse sur des réseaux périodiques. / Nanotechnology industry is a world in constant evolution. Improvements in manufacturing techniques are used to define smaller and smaller components. To verify dimensions, metrology has to be improved to be able to provide reliable and repeatable analysis. This work focuses first on manufacturing process samples. Deposition techniques, photolithography and etching are introduced. These techniques require metrology tools adapted for in-line monitoring. Metrology equipments introduced in this thesis highlight the application of imaging techniques such as scanning electron microscopy or transmission and inversion techniques such as ellipsometry and scatterometry. The third chapter is dedicated to the application of these techniques to monitoring production. Thin films inspected are generally innovative layers. The last part is focused on methods for roughness characterization by light scattering on periodic gratings.

De multiples micro-organismes ont la capacité de catalyser l’oxydation électrochimique de matières organiques en s’organisant en biofilm à la surface d’anodes. Ce processus est à la base de procédés électro-microbiens très innovants tels que les piles à combustible microbiennes ou les électrolyseurs microbiens. L’interface biofilm/électrode a été l’objet de nombreuses étudesdont les conclusions restent difficiles à démêler en partie du fait de la diversité des paramètres interfaciaux mis en jeu. L’objet de ce travail de thèse est d’exploiter les technologies microsystèmes pour focaliser l’impact de la topographie de surface des électrodes sur le développement du biofilm et sur ses performances électro-catalytiques. La formation de biofilmsélectroactifs de Geobacter sulfurreducens a été étudiée sur des électrodes d’or présentant des topographies bien contrôlées, sous la forme de rugosité, porosité, réseau de piliers, à des échellesallant du nanomètre à quelques centaines de micromètres. La présence de microrugosité a permis d’accroitre les densités de courant d’un facteur 8 par rapport à une surface lisse et son effet a étéquantifié à l’aide du paramètre Sa. Nous avons tenté de distinguer les effets des différentes échelles de rugosité sur le développement du biofilm et la vitesse des transferts électroniques.L’intérêt de la microporosité a été discuté. L’accroissement de surface active par la présence de micro-piliers s’est avéré très efficace et une approche théorique a donné des clés de compréhension et d’optimisation. Les connaissances acquises dans les conditions de culture pure ont finalement été confrontées avec la mise en oeuvre de biofilms multi-espèces issus d’un inoculum complexe provenant de sédiments marins.

Le contact unilatéral entre deux surfaces est un phénomène omniprésent en physique, en mécanique et en génie civil. Une surface nominalement lisse à l’échelle macroscopique est en réalité rugueuse à l’échelle microscopique. La présence de rugosités modifie considérablement la distribution des contraintes et le champ des déformations au voisinage des surfaces en contact. La prise en compte de rugosités surfaciques à l’échelle microscopique constitue souvent une clé pour appréhender et modéliser un grand nombre de phénomènes d’interface/surface observés à l’échelle macroscopique, tels que le frottement, l’adhésion, l’usure et la conductivité thermique ou électrique. Ce travail de thèse porte sur le contact unilatéral de deux demi-espaces dont les surfaces sont périodiquement rugueuses. Dans la première partie du travail où les deux demi-espaces sont constitués de deux matériaux linéairement élastiques, une approche numérique simple et efficace est proposée et élaborée en se basant sur la méthode des éléments de frontière et la méthode d’inversion matricielle et en exploitant la périodicité du problème en question. Cette approche numérique est d’abord comparée avec et validée par des résultats analytiques et ensuite appliquée à plusieurs cas d’intérêt pratique. Dans les deuxième et troisième parties du travail, l’approche numérique proposée dans le cas élastique est étendue aux cas où les demi-espaces sont formés de matériaux d’abord linéairement thermoélastiques et ensuite linéairement viscoélastiques. Des résultats analytiques existants dans ces deux cas sont utilisés comme benchmarks pour tester la précision et l’efficacité des approches résultantes. Des exemples numériques sont donnés pour mettre en évidence des phénomènes physiques / Unilateral contact between two surfaces is a phenomenon often present in physics, mechanics and civil engineering. A nominally smooth surface on a macroscopic scale is actually rough on the microscopic scale. The presence of surficial roughness considerably modifies the stress distribution and the strain field in the vicinity of the surfaces in contact. Consideration of surficial roughness at the microscopic scale is often a key to understanding and modeling a large number of macroscopic interface/surface phenomena such as friction, adhesion, wear and thermal or electrical conduction. This work focuses on the unilateral contact of two half-spaces whose surfaces are periodically rough. In the first part of the work where the two half-spaces consist of two linearly elastic materials, a simple and efficient numerical approach is proposed and elaborated on the basis of the boundary element method and the matrix inversion method and by exploiting the periodicity of the problem in question. This numerical approach is first compared with and validated by available analytical results and then applied to several cases of practical interest. In the second and third parts of the work, the numerical approach proposed in the elastic case is extended to cases where the half-spaces are formed of materials that are first linearly thermoelastic and then linearly viscoelastic. Some existing analytical results in these two cases are used as benchmarks to test the accuracy and efficiency of the resulting approaches. Numerical examples are given to bring out some physical phenomena

Objectif : Évaluer l’impact de l’exposition d’un biofilm de Streptococcus mutans (S. mutans) pendant une période de 28 jours sur la rugosité de surface de matériaux de restauration dentaire. Matériel et méthode : Les matériaux testés étaient : six résines composites (fluide, bulk-fill fluide, microparticules, nanoparticules, microhybride et nanohybride), un verre ionomère conventionnel, un verre ionomère modifié à la résine, de l’amalgame, du disilicate de lithium et de la porcelaine feldspathique renforcie de cristaux de nanoleucite. Cent soixante-dix-sept disques de 5 mm de diamètre par 2 mm d’épaisseur ont été fabriqués et polis selon une méthode standardisée. Des répliques ont été fabriquées puis réservées pour les mesures de rugosité. Les échantillons ont été stérilisés puis placés dans un milieu de culture pendant 28 jours, avec S. mutans pour les groupes tests et sans S. mutans pour leurs contrôles. Le milieu de culture a été renouvelé toutes les 48 heures. De nouvelles répliques des échantillons ont été fabriquées. Finalement, la rugosité de la surface avant et après l’exposition au biofilm a été évaluée sur les répliques à l’aide d’un profilomètre. Les analyses statistiques ont été effectuées à l’aide d’un modèle d’analyse de variance à deux facteurs. Résultats : Aucune différence statistiquement significative n’a été notée entre la rugosité initiale et finale des groupes tests et des groupes contrôles (p < 0,05). Conclusion : Dans les limites de cette étude in vitro, l’exposition à un biofilm de S. mutans pendant 28 jours n’a pas démontré avoir d’impact sur la rugosité des matériaux testés. / Aims : To evaluate the effect on surface roughness of a 28-day exposure of restorative dental materials to Streptococcus mutans (S. mutans). Material and methods : Materials tested were six types of composite resin (fluid, bulk-fill flowable, microfilled, nanofilled, microhybrid and nanohybrid), conventionnal glass ionomer, resin modified glass ionomer, amalgam, lithium disilicate and nanoleucite reinforced porcelain. One hundred seventy seven discs of 5 mm diameter by 2 mm thickness were made and polished according to a standardized method. Replicas were made for roughness measurements. Specimens were then sterilized and exposed to a growth medium with or without S. mutans for 28 days. Growth medium was renewed every 48 hours. New replicas of the samples were made. Finally, the surface roughness before and after exposure was evaluated on replicas using a profilometer. Statistical analysis was performed using 2-way ANOVA. Results : No statistically significant differences were observed between the initial and final roughness for both the test and the control groups (p < 0,05). Conclusion : Within the limits of this in vitro study, exposure to a S. mutans biofilm for a 28-day period does not have an impact on the surface roughness of tested materials.

Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Résumé: Le développement de l’industrie des polymères fourni de plus en plus de choix pour la formulation de matériaux pour les couvre-planchers. Les caoutchoucs, le PVC et le linoleum sont les polymères habituellement utilisés dans l’industrie des couvre-planchers. Ce projet répond à un problème de facilité de nettoyage des couvre-planchers de caoutchouc qui sont reconnus pour être mous, collants et ayant une surface rugueuse. L’INTRODUCTION couvrira l’état actuel de la recherche sur les couvre-planchers, surtout en regard au problème de la «nettoyabilité». La théorie pertinente et les informations générales sur les polymères, les composites polymériques et la science des surfaces seront introduites au CHAPITRE 1. Ensuite, le CHAPITRE 2 couvrira la méthode utilisée pour déterminer la nettoyabilité, l’évaluation des résultats ainsi que l’équipement utilise. Le CHAPITRE 3, discutera des premières expériences sur l’effet de la mouillabilité, la rugosité et la dureté sur la facilité de nettoyage des polymères purs. Plusieurs polymères ayant des surfaces plus ou moins hydrophobes seront investigués afin d’observer leur effet sur la nettoyabilité. L’effet de la rugosité sur la nettoyabilité sera investigué en imprimant une rugosité définie lors du moulage des échantillons; l’influence de la dureté sera également étudiée. Ensuite, un modèle de salissage/nettoyage sera établi à partir de nos résultats et observations afin de rationaliser les facteurs, ou « règles », qui détrminent la facilité de nettoyage des surfaces. Finalement, la réticulation au peroxyde sera étudiée comme une méthode de modification des polymères dans le but d’améliorer leur nettoyabilité; un mécanisme découlant des résultats de ces études sera présenté. Le CHAPITRE 4 étendra cette recherche aux mélanges de polymères; ces derniers servent habituellement à optimiser la performance des polymères purs. Dans ce chapitre, les mêmes tests discutés dans le CHAPITRE 3 seront utilisés pour vérifier le modèle de nettoyabilité établi ci-haut. De plus, l’influence de la non-miscibilité des mélanges de polymères sera discutée du point de vue de la thermodynamique (DSC) et de la morphologie (MEB). L’utilisation de la réticulation par peroxyde sera étudié dans les mélanges EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA) afin d’améliorer la compatibilité de ces polymères. Les effets du dosage en agent de réticulation et du temps de cuisson seront également examinés. Finalement, un compatibilisant pré-réticulé a été développé pour les mélanges ternaires EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA)/ HSR; son effet sur la nettoyabilité et sur la morphologie du mélange sera exposé. / Abstract: The development of industrial polymers provides more choices to the design of flooring materials. Rubbers, PVC and linoeleum are the most used polymers in the flooring industry. This project stems from the problem of cleanability (ease of cleaning) of the surface of rubber tile flooring which is known as a soft, sticky and rough surface. In the introduction, the current situation of research on the polymer flooring industry, especially the study on the cleaning problem will be introduced. The relevant theory and general information on polymers, polymer composites and surface science will be introduced in CHAPTER 1. In CHAPTER 2 different approaches, protocols and equipment to evaluate cleanability will be presented. The initial experiments and results (CHAPTER 3) will involve various fundamental concepts on surface wettability, roughness and hardness, as these properties can all influence the surface soiling and cleanability. In single-polymer systems, dozens of polymer materials with a hydrophobic or hydrophilic surface were investigated to observe their soiling and cleaning properties. The effect of roughness was also studied by surface printing method which is used to control the surface topography. Likewise, the influence of surface hardness on cleanability was also investigated with different polymer materials. From the above results and observations, a surface soiling/cleaning model is proposed in attempt to simplify the ― rules ‖ which determine the surface cleanability. Finally, peroxide crosslinking was investigated as a matrix modification method to improve the surface cleanability. The second part of the experiments and results (CHAPTER 4) extends to investigations of polymer blends, in attempt to optimize the performance of single-polymer materials. In this chapter, the surface cleaning model and its relevant rules are examined by the wettability, roughness and hardness tests discussed in CHAPTER 3. The influence of immiscibility on cleaning performance will be discussed in polymer blends from the point of view of thermodynamics (DSC) and morphology (SEM). In order to improve the compatibility in polymer blends, peroxide crosslinking was performed in EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA) blends. The dosage of curing (cross-linking) agent and curing time were investigated to observe the influence of these experimental conditions on cleanability. Finally, a blend compatibilizer was designed to improve the compatibility of the EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA)/HSR blends.The compatibilizer prepared by partial pre-crosslinking of EPDM (Nordel) and E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA (Surlyn) was incorpo rated in polymer composites and its influence on cleanability was studied and explained on the basis of changes in morphology of the blend polymer matrix.

La qualité de l'air en milieu urbain fait désormais partie des préoccupations des autorités responsables des grandes agglomérations. Les décideurs ont besoin d'outils permettant la surveillance de la pollution atmosphérique. Actuellement, il est impossible de connaître précisément la distribution spatiale des polluants. Les associations en charge de la qualité de l'air sont donc très intéressées par tous les moyens susceptibles d'affiner cette connaissance. La télédétection est un de ces moyens, aussi nous nous sommes attachés, au cours de cette thèse, à apporter des éléments de réponse utiles aux praticiens. L'analyse d'images-radar à synthèse d'ouverture (RSO), de l'agglomération nantaise, nous a permis de définir les facteurs influençant la perception de l'environnement urbain dans les images-radar. De cette analyse a découlé une étude pour cartographier la rugosité aérodynamique sur toute la ville. Ce paramètre, caractérisant la morphologie locale, est nécessaire à la modélisation de la dispersion des polluants au-dessus des villes. Nous avons utilisé pour cette cartographie des images-radar seules ou employées conjointement à l'imagerie optique. Une autre étude a été menée visant à obtenir une méthode innovante, faisant usage des données optiques en infrarouge thermique, pour cartographier la distribution spatiale du champ de concentration des particules en suspension (fumées noires). Des facteurs pouvant influencer les interactions entre les polluants et les autres bandes spectrales, du visible et de l'infrarouge, ont été étudiés. Dans un souci d'opérationnalité, que ce soit avec l'imagerie radar ou optique, les résultats des nouvelles méthodes ont été comparés avec ceux obtenus avec des méthodes conventionnelles.