La durabilité des structures en béton armé ainsi que leur durée de vie sont étroitement liées à la mise en œuvre simultanée de nombreux phénomènes physiques et chimiques. Ceux-ci sont de diverses natures mais restent, en général, fonction des propriétés hydriques des matériaux étudiés. Ainsi, la prédiction des dégradations potentielles d'un matériau cimentaire requiert l'étude du transport de l'eau liquide et des phases gazeuses à travers ce dernier, considéré comme un milieu poreux. En milieu naturel, les structures subissent des variations périodiques de l'humidité relative extérieure (HR). Cependant, la plupart des modèles de transfert hydrique préexistants dans la littérature, s'intéresse uniquement au processus de séchage. Il existe peu de modèles décrivant à la fois l'humidification et le séchage du matériau (ces deux phénomènes se produisent dans le matériau en condition naturelle d'humidité relative (HR)). Tenir compte des phénomènes d'hystérésis dans les transferts hydriques réduit à nouveau le nombre de modèles à disposition. Ainsi, cette thèse s'attache à proposer une meilleure compréhension de l'état hydrique du béton en fonction des variations d'humidité relative extérieure, sur la base d'une nouvelle campagne expérimentale et de modélisations numériques. Un soin sera apporté afin de tenir compte dans les modèles numériques des effets d'hystérésis. Dans ce travail, nous détaillerons, tout d'abord, un modèle multi-phasiques complet. Un modèle simplifié est obtenu, sur la base de considérations théoriques et de vérifications expérimentales dans le cas où la perméabilité intrinsèque à l'eau liquide reste très inférieure à la perméabilité intrinsèque au gaz. Une étude comparative des modèles d'hystérésis couramment utilisés permet d'obtenir un jeu de modèles proposant les meilleures prédictions d'isothermes de sorption d'eau et de leurs hystérésis. Par la suite, le modèle de transport simplifié est couplé avec les modèles d'hystérésis sélectionnés afin de simuler les transferts hydriques dans des bétons soumis à des cycles d'humidification-séchage. La comparaison avec des données expérimentales révèle que la prise en compte de l'hystérésis de l'isotherme de sorption d'eau ne peut pas être négligé. De plus, il est montré que les prédictions obtenues avec des modèles d'hystérésis théoriques, sont les plus cohérentes avec les résultats expérimentaux, en particulier, pour des chemins secondaires d'hystérésis. Plusieurs scénarios (conditions environnementales, bétons différents) sont également simulés. Les résultats obtenus pointent à nouveau la nécessité de tenir compte de l'hystérésis lors de la modélisation des transferts hydriques à travers des matériaux cimentaires soumis à des variations d'humidité relative. La définition d'une profondeur pour laquelle le profil hydrique du béton est modifié par les variations périodiques d'humidité relative permet de mieux comprendre comment la modélisation de la pénétration des espèces ioniques est influencée par les cycles d'humidification-séchage. Par ailleurs, notre analyse révèle qu'il est pertinent de considérer l'effet de Knudsen pour la diffusion de la vapeur afin d'améliorer la prédiction de la diffusivité apparente / The durability of reinforced concrete structures and their service life are closely related to the simultaneous occurrence of many physical and chemical phenomena. These phenomena are diverse in nature, but in common they are dependent on the moisture properties of the material. Therefore, the prediction of the potential degradation of cementitious materials requires the study of the movement of liquid-water and gas-phase transport in the material which is considered as a porous medium. In natural environment, structures are always affected by periodic variations of external relative humidity (RH). However, most moisture transport models in the literature only focus on the drying process. There are few researches considering both drying and wetting, although these conditions represent natural RH variations. Even few studies take into account hysteresis in moisture transport. Thus, this work is devoted to better understand how the moisture behaviour within cementitious materials responds to the ambient RH changes through both experimental investigations and numerical modelling. In particular, hysteretic effects will be included in numerical modelling. In this thesis, we first recalled a complicate multi-phase continuum model. By theoretical analysis and experimental verification, a simplified model can be obtained for the case of that the intrinsic permeability to liquid-water is smaller than the intrinsic permeability to gas-phase. The review of commonly-used hysteresis models enabled to conclude a set of best models for the prediction of water vapour sorption isotherms and their hysteresis. After that, the simplified model was coupled with selected hysteresis models to simulate moisture transport under drying and wetting cycles. Compared with experimental data, numerical simulations revealed that modelling with hysteretic effects can provide much better results than non-hysteresis modelling. Among different hysteresis models, results showed that the use of the conceptual hysteresis model, which presents closed form scanning loops, can provide more accuracy predictions. Further simulations for different scenarios were also performed. All comparisons and investigations enhanced the necessity of considering hysteresis to model moisture transport for varying relative humidity at the boundary. The investigation of moisture penetration depth could provide a better understanding of how deep moisture as well as ions can move into the material. Furthermore, the analysis revealed that the consideration of Knudsen effects for diffusion of vapour can improve the prediction of the apparent diffusivity

La lyophilisation est le procédé de choix dans l'industrie pharmaceutique pour la stabilisation de produits thermosensibles tels que les vaccins. Cependant, en raison du pré-conditionnement du produit dans des flacons individuels, ce processus est difficile à concevoir et aboutit souvent à des lots présentant une hétérogénéité significative dans la qualité du produit final. L'objectif principal de ce doctorat a été le développement d'un modèle mathématique pour la conception du processus de lyophilisation à un niveau de risque donné, c'est à dire un pourcentage de flacons potentiellement non conformes. Le travail a porté sur la compréhension et la quantification des sources possibles responsables de la variabilité des transferts de chaleur et de matière lors du processus. Dans un premier temps, la variabilité du transfert de chaleur entre les flacons a été étudiée en considérant les dimensions du flacon et sa position sur l'étagère de l'équipement. La variabilité des dimensions géométriques observées dans un lot de flacons (i.e., l'aire de contact entre l'étagère et le flacon et la profondeur de concavité du fond) a influencé la distribution du coefficient de transfert de chaleur entre les flacons. De plus, un modèle mathématique original en 3D a été développé dans COMSOL Multiphysics pour expliquer et prédire les transferts de chaleur atypiques observés dans les flacons situés sur les bords de l'étagère lors du processus de lyophilisation. Les phénomènes conductifs à basse pression au sein de la vapeur d'eau ont été reportés comme un mécanisme dominant expliquant ces transferts de chaleur atypiques alors que les phénomènes radiatifs liés à la présence des parois de l'équipement ont toujours été cités dans la littérature. Par ailleurs, ce modèle mathématique en 3D a été utilisé pour étudier l'effet de la configuration de chargement du lyophilisateur et des caractéristiques de l'équipement sur la variabilité du transfert de chaleur. Dans un deuxième temps, la variabilité des transferts de matière a été évaluée sur une solution de saccharose à 5 % en considérant deux paramètres, la résistance de la couche sèche au transfert de matière pendant la sublimation et le temps caractéristique de désorption. La résistance à la couche sèche a été évaluée en combinant deux approches complémentaires, les tests de remontée de pression et la méthode gravimétrique. La variabilité estimée de la résistance à la couche séchée a eu un impact plus important sur la distribution de la température du produit que la variabilité du coefficient de transfert de chaleur. La valeur et la variabilité du temps caractéristique de désorption ont été évaluées pour différentes températures et ont permis de simuler l'hétérogénéité de la teneur en eau finale entre les flacons. Dans la dernière partie du travail, les principales sources quantifiées de variabilité des transferts de chaleur et de matière ont été intégrées dans un modèle mathématique de lyophilisation. Ce modèle dynamique multi-flacons a été utilisé non seulement pour prédire l'évolution de la température et de la teneur en eau du produit pendant la lyophilisation pour un lot de 100 flacons, mais aussi pour estimer le pourcentage de flacons potentiellement non conformes. L'approche de modélisation proposée, étendue à un plus grand nombre de flacons simulés, pourrait être utilisée pour calculer les "design spaces" (espaces de travail) des étapes de dessiccation primaire et secondaire du processus de lyophilisation à un risque connu de pourcentage de flacons non conformes. / Freeze-drying is the process of choice in pharmaceutical industry for the stabilization of heat sensitive products such as vaccines. However, due the product pre-conditioning in individual vials, this process is difficult to design and often results in batches presenting a significant heterogeneity in the quality of the final product. The main goal of this Ph.D. project was the development of a mathematical model making it possible to predict the risk of failure when designing the freeze-drying process, i.e., the percentage of "rejected vials". To this end, the work focused on the understanding and quantification of the sources responsible for heat and mass transfer variability during the process. Firstly, the vial-to-vial heat transfer variability was investigated by taking the vial bottom dimensions and the vial position on the shelf of equipment into account. The variability of geometrical dimensions observed within a batch of vials (i.e., contact area between the shelf and the vial and the mean bottom curvature depth) moderately influenced the heat transfer coefficient distribution among vials (by less than 10 %). Secondly, a original 3D mathematical model was developed in COMSOL Multiphysics to explain and predict atypical heat transfer observed in vials located at the border of the shelf during the freeze-drying process. Conduction through low-pressure water vapour appeared as the dominant mechanism explaining the additional heat transfer to border vials rather than as reported in literature radiation from the walls of the drying chamber. Furthermore, this 3D mathematical model was used to investigate the effect of the vial loading configuration and of the equipment characteristics on heat transfer variability. In a second part, mass transfer variability was quantified on a 5% sucrose solution and by focusing on two parameters, the resistance of the dried layer to mass transfer during sublimation and the characteristic desorption time. The dried layer resistance was assessed by combining complementary approaches, the pressure rise test and gravimetric methods. The estimated variability of the dried layer resistance was found to have a higher impact on the product temperature distribution than the heat transfer coefficient variability. The value and variability of characteristic desorption time was evaluated for different temperatures and made it possible to simulate moisture content heterogeneity between vials in the batch. In the last part of the work, the main quantified sources of heat and mass transfer variability were integrated in a mathematical model of freeze-drying process. This multi-vial, dynamic model was used not only to predict the evolution of product temperature and moisture content during freeze-drying for a batch of 100 vials, but also to estimate the percentage of vials that could potentially be rejected. The proposed approach, extended to a greater number of simulated vials, could be applied to calculate design spaces of the primary and secondary drying steps of freezedrying process at a known risk of failure.

Le séchage est une opération incontournable pour la valorisation énergétique des boues résiduaires. La flexibilité pour ajuster la teneur en matière sèche finale de la boue est un critère important pour le choix d'une technologie. Cet objectif est difficile à atteindre pour les sécheurs à palettes. La modélisation du processus est alors essentielle. Malheureusement, le comportement rhéologique des boues est complexe et la mécanique des fluides numérique est hors de portée. La notion de Distribution des Temps de Séjour est employée ici pour caractériser l'écoulement. Un protocole fiable et reproductible a été établi et mis en œuvre sur un pilote de laboratoire. Des injections Dirac d'oxyde de titane et de sels métalliques, avec la spectrométrie de fluorescence X comme méthode de détection, ont été employées pour caractériser les DTS du solide anhydre et de la boue humide. Pré-Mélanger la boue pâteuse, pour disperser le traceur par exemple, modifie la structure du matériau. Ceci a été mis en évidence par des mesures de distribution en taille des particules et par des caractérisations rhéologiques. Cependant, des expériences de séchage en batch ont montré que ce pré-Mélange n'a aucune influence sur la cinétique et sur la phase plastique. Nous avons montré que le solide anhydre et le solide humide s'écoulent de la même manière. Une seconde méthode, basée sur une détection par conductimétrie, a alors été développée. Plus facile à mettre en œuvre et moins onéreuse, cette méthode s'avère tout aussi fiable que la première. L'influence de la durée de stockage de la boue, avant séchage, a été évaluée. Le temps de séjour de la boue dans le sécheur double quand la durée de stockage passe de 24h à 48h. Finalement, un modèle d'écoulement, basé sur la théorie de chaînes de Markov, a été développé. L'écoulement du solide anhydre est décrit par une chaîne de n cellules parfaitement mélangées, n correspondant au nombre de palettes. Les probabilités de transition entre les cellules sont régies par deux paramètres : le ratio de recyclage interne, R, et la masse de solides retenus, MS. R est déterminé par la relation de Van der Laan et MS est identifié par ajustement du modèle aux données expérimentales. Le modèle décrit de manière satisfaisante les DTS. La masse de solides retenus identifiée est toujours plus faible que la quantité mesurée expérimentalement. Une partie de la boue, collée aux parois du sécheur et au rotor, agit comme un volume mort. / Drying is an unavoidable operation prior to sludge valorization in incineration, pyrolysis or gasification. The flexibility to adapt the solid content of the dried sludge to the demand is a major requirement of any drying system. This objective is difficult to reach for paddle dryers. Modeling the process is thus essential. Unfortunately, sludge rheological behavior is complex and computational fluid dynamics is out of reach for the time being. The concept of Residence Time Distribution (RTD) is used here to investigate sludge flow pattern in a paddle dryer. A reliable and reproducible protocol was established and implemented on a lab-Scale continuous dryer. Pulse injections of titanium oxide and of salt metals, with X-Ray fluorescence spectroscopy as detection method, were used to characterize the RTD of anhydrous solid and wet sludge, respectively. Premixing the pasty sludge, for tracer powder dispersion for instance, changes the structure of the material. This was highlighted through the measurements of particle size distributions and characterization of rheological properties. However, drying experiments performed in batch emphasized that premixing does not have any influence on the kinetic and the sticky phase. The RTD curves of the anhydrous solid are superimposed on those of the moist sludge. Consequently, a simpler protocol, based on pulse injection of chloride sodium and offline conductivity measurements, was established. Easier to implement in industry and cheaper, this method proves to be as reliable as the first one. The influence of storage duration prior to drying was assessed. The mean residence time doubles when the storage duration changes from 24h to 48h. Finally, a model based on the theory of Markov chains has been developed to represent the RTD. The flow of anhydrous solids is described by a chain of n perfectly mixed cells, n corresponding to the number of paddles. The transition probabilities between the cells are governed by two parameters: the ratio of internal recirculation, R, and the solids hold-Up, MS. R is determined from the Van der Laan's relation and MS is identified by fitting the model to the experimental RTD. The model describes the flow pattern with a good accuracy. The computed hold-Up is lower than the experimental one. Part of the sludge is stuck to the walls of the dryer, acting as dead volumes in the process.

Le polymorphisme revêt un grand intérêt dans le domaine pharmaceutique puisqu’il concerne plus de 80% des principes actifs (PA). Les différences de propriétés physicochimiques entre deux polymorphes peuvent influer sur la mise en forme galénique de la molécule active, sa biodisponibilité, sa stabilité lors du stockage voire même sur son activité. D'un point de vue industriel, l'hétérogénéité de surface d'un solide pharmaceutique semble jouer un rôle fondamental, lors de sa mise en forme mais aussi lors de son stockage. Néanmoins, les interactions de surface avec l’environnement de ce type de solides sont des phénomènes de faible amplitude et donc très difficiles à quantifier. Les techniques de mouillabilité, les plus utilisées, relient le travail d’adhésion à l’énergie de surface par la mesure de l’angle de contact entre le solide et un liquide. La valeur de l’énergie de surface obtenue, n’a qu’un caractère statistique qui caractérise un comportement macroscopique global du solide d’étude. Cette notion perd toute signification à l’échelle microscopique et donc ne répond pas aux besoins actuels de l’industrie pharmaceutique. L’objectif de cette étude est donc de quantifier l’anisotrope énergétique de surface des solides d’intérêt pharmaceutique. La Chromatographie Gazeuse Inverse (CGI) apparaît alors comme une méthode de choix pour caractériser les propriétés de surface de solides divisés. L’étude de l’énergie de surface par CGI à dilution infinie, au travers d’une étude rigoureuse du domaine de Henry, nous a permis de distinguer, en surface, les formes polymorphes α, β et δ du D-mannitol. De plus, elle nous a permis de faire un lien entre la composante dispersive de l’énergie de surface et des procédés de génération et de mise en forme, tels que l’atomisation et le cryobroyage. Les augmentations d’énergie de surface à la suite de ces procédés ont été attribués aux changements intrinsèques de la particule, telles que sa taille et sa morphologie. / The polymorphism phenomenon is of great interest in the pharmaceutical field since it concerns more than 80% of the active pharmaceutical ingredients (API). Differences in physicochemical properties between polymorphs are known to influence the formatting dosage of the active molecule (compression during tableting), bioavailability, toxicity and stability under storage conditions. From an industrial point of view, the surface heterogeneity of pharmaceutical solids seems to play a fundamental role in formatting but also during storage. However, organic solid’s surface interactions are small amplitude phenomenon and therefore very difficult to quantify. Wettability techniques, the most commonly used, relate the work of adhesion to the surface energy by measuring the contact angle between the solid and a liquid. The value of the surface energy obtained has a statistical nature that characterizes a global macroscopic behavior of the solid. This concept becomes meaningless at microscopic level and therefore does not respond to the existing and growing needs of the pharmaceutical industry. The objective of this study is to quantify the anisotropic surface energy of pharmaceutical solids. The inverse gas chromatography (IGC) will appear as the technique of choice for characterizing divided solid surface properties. The study of the surface energy using IGC at infinite dilution, through a rigorous study of Henry’s domain, allowed us to distinguish the polymorphic forms α, β and δ of D-mannitol. In addition, we were able to make a connection between the dispersive component of the solid’s surface energy and the generation and forming processes, such as spray drying (SD) and cryo-milling (CM). Surface energy increments after SD and CM were attributed to changes of the intrinsic characteristics of the particles such as size and morphology.

Dans le cadre de la présente thèse, a été étudié l’impact de la texturation par traitement thermo-mécanique DIC (Détente Instantanée Contrôlée) sur le séchage de divers produits alimentaires. Ce prétraitement a induit une amélioration de la cinétique de l’opération de séchage quand elle est limitée par le transfert interne de la matière couplé au rétrécissement du produit. Ainsi, la diminution du temps de séchage a atteint 67% dans le cas de l’oignon et 77% dans le cas du cassis. Quant à la diffusivité effective Deff, elle a augmenté par rapport à la matière première jusqu’à 246% pour les pépins et 795% pour les déchets de canneberge, 336% pour l’oignon et 1223% pour le cassis. Dans le cas des produits étudiés, la pression de vapeur de traitement DIC a généralement un effet significatif positif sur la cinétique de séchage et d’extraction des différentes molécules. Concernant les caractérisatiques des produits, nous constatons l’impact positif du traitement par DIC quant aux principales caractéristiques de la matière. Ainsi, les composés phénoliques apparaissent plus disponibles à la suite du traitement adéquat par DIC. Le contenu en composés phénoliques et la capacité antioxydante étant supérieurs dans les produits traités par DIC, la qualité nutritionnelle s’est ainsi également trouvée améliorée. Avec une dégradation thermique négligeable, le traitement DIC implique un effet mécanique dû à la détente instantanée, ce qui permet la rupture de certaines structures cellulaires de la matière et l’augmentation de la quantité maximale extractible. Les caractéristiques physiques diverses (masse volumique apparente et taux relatif d’expansion), les caractéristiques microstructurelles (mesurées par microscopie électronique à balayage) et fonctionnelles d’interaction avec l’eau (réhydratation, teneur en eau, isotherme de sorption, microbiologie et contenu nutritionnel...) peuvent être optimisées en fonction des conditions opératoires DIC, selon les besoins du consommateur. / The present PhD work concerns the effect of thermo-mechanical texturing by DIC (Instantaneous Controlled Pressure-Drop) on fruit and vegetable drying. This pretreatment dramatically improves drying kinetics when the internal mass transfer coupled to the shrinkage of the product, is the limiting process. Indeed, the drying time decreased by 67% in the case of onion and 77% for blackcurrants, while the effective diffusivity Deff increased up to 246%, 795%, 336%, and 1223% for cranberry seed and waste, onion and blackcurrants, respectively. With these products, the saturated steam pressure generally has a significant positive effect on the drying kinetics.DIC treatment significantly improves the main nutritional and functional characteristics of the fruits and vegetables, with more available phenols and higher antioxidant activity. As thermal degradation is negligible, the DIC treatment involves micromechanical effect linked to the instant pressure drop, which allows cell to break and structure to be more porous such increasing the maximum extractable amount. Various physical, microstructural and functional characteristics of new textured material allow water interaction to be completely modified in terms of rehydration kinetics and capacity, sorption isotherm, microbiological and nutritional content... depending on operating DIC conditions, which can be optimized according to the consumer needs.

Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d’optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d’exploitation, l’air ventilé dans les galeries n’est pas à l’équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d’essais au laboratoire. L’essai de séchage est retenu puisqu’il permet d’étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l’erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d’essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l’échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu’en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d’améliorer la précision de l’algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l’algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs. / The Callovo-Oxfordian claystones’ properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests.

La modélisation numérique des structures bois dans des conditions d’incendie nécessite la connaissance : de la variation des propriétés physiques du bois telles que la conductivité thermique, la chaleur spécifique et la densité en fonction de la température ; de la dégradation thermique du bois au cours des phases de séchage, de pyrolyse et de combustion. En particulier, nous nous sommes intéressés à l’étude du comportement thermomécanique du matériau bois. La loi thermique est décrite par l’équation de la chaleur. Le modèle choisi intègre les trois modes du transfert de chaleur : la conduction, le rayonnement et la convection. La loi mécanique est modélisée dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles utilisant la notion des variables d’état. Elle tient compte du couplage entre le comportement élastique orthotrope, plastique anisotrope à écrouissage non linéaire isotrope et un endommagement isotrope. L’intégration numérique de la loi mécanique par un schéma implicite itératif combinant la technique du retour radial avec la réduction du nombre des équations est présentée. Le couplage thermomécanique est réalisé, selon l’approche réglementaire de l’Eurocode 5 relatif à la résistance au feu des structures en bois, en appliquant le facteur de réduction Kθ sur la résistance mécanique d’un résineux. Les aspects théoriques et les conditions aux limites associés au modèle thermomécanique sont abordés. L’identification des paramètres du modèle est réalisée sur des données expérimentales obtenues sur des tests réels d’incendie disponibles dans la littérature. À ce titre, plusieurs comparaisons avec différentes applications sont réalisées. Le modèle éléments finis reproduit avec précision la distribution du champ de température dans l’épaisseur des panneaux en bois, la formation du charbon ainsi que l’évolution de la résistance mécanique au cours de l’exposition au feu / Numerical modelling of timber structures in fire conditions requires the knowledge of the variation with temperature of the physical properties of the wood material (the thermal conductivity, the specific heat and the density) in order to take into account the thermal degradation of wood under high temperatures during the drying, pyrolysis and combustion phases, as well as the temperature profiles in the thickness of the surfaces exposed to fire. In particular, this work focusses on the thermomechanical behaviour of timber. The heat transfer analysis is described by the standard equations of heat conduction. It includes the three modes of heat transfer: conduction, radiation and convection. The structural response is modelled within the framework of thermodynamics of irreversible processes using the notion of state variables. It takes into account the coupling between the orthotropic elastic behaviour, the anisotropic plastic behaviour with isotropic nonlinear hardening, and isotropic damage. The numerical integration of the equilibrium equations is carried out with an iterative implicit scheme combining the technique of radial re- turn with the reduction of the number of equations. The thermomechanical coupling is carried out according to the approach recommended by Eurocode 5 for the fire resistance of timber structures by applying the reduction factor Kθ to the strength of a softwood. The theoretical aspects and boundary conditions associated with the thermomechanical model are also discussed. The parameters of the model are identified with experimental data obtained from actual fire tests available in the literature. Several comparative applications are carried out. The finite element model accurately reproduces the distribution of the temperature profile in the thickness of timber planks, the formation of the charred layer, and the evolution of the mechanical resistance during exposure to fire

Le ciment est la principale source des impacts sur l’environnement de l’utilisation du matériau béton. Afin d’optimiser ce dernier d’un point de vue environnemental, il est nécessaire de réduire son dosage en ciment. Cela peut être entrepris en remplaçant une partie du ciment par des additions minérales lors de sa fabrication.Ces travaux de thèse visent à étudier les phénomènes physico-chimiques ayant lieu lors du processus de carbonatation de bétons à forts taux de remplacement du ciment par des additions minérales ainsi que leur résistance à ce type d’attaque.Une campagne expérimentale a été menée sur des bétons de référence préparés à base de ciments courants et sur des Écobétons préparés en substituant une partie du ciment par des cendres volantes ou du laitier de haut-fourneau. Les différentes études menées portent sur la durabilité des Écobétons vis-à-vis de la carbonatation, sur l’équivalence de performances des Écobétons avec celles des bétons de référence, et sur les paramètres de composition et de microstructure contrôlant la cinétique de carbonatation. La carbonatation a été étudiée en conditions accélérées et naturelles. Les résultats montrent que les Écobétons à forts taux de substitution du ciment par des cendres (50 %) ou du laitier (75 %) pourraient remplacer, dans certains cas, les bétons conformes à la norme en vigueur.En complément à l’étude expérimentale, des simulations numériques du couplage hydratation/séchage ont été menées en vue de déterminer l’effet du séchage sur les propriétés contrôlant la cinétique de carbonatation accélérée des bétons étudiés (la porosité, la quantité de Portlandite et le degré de saturation en eau liquide). Les résultats montrent que la cinétique de séchage augmente avec le taux de substitution du ciment par des additions. Ils remettent aussi en cause la pertinence du préconditionnement des échantillons lors de l’essai de carbonatation accélérée mené selon la norme française XP P 18-458 actuellement en vigueur. / Cement is the main source of environmental impacts of concrete use. It is thus recognized that the most pragmatic solution for minimizing environmental impacts of concrete is the reduction of the cement content. This could be achieved by replacing a part of cement by mineral additions such as fly ash or blast-furnace slag during concrete mixing.The present work aims at studying the physico-chemical phenomena occurring during the process of carbonation of concrete mixtures with high substitution rates of cement by mineral additions and their resistance against this type of attack.An experimental campaign was conducted on reference concrete mixtures prepared with common cements and on other concrete mixtures, called “Écobétons” (Green concretes), prepared by replacing a part of cement by fly ash or blast-furnace slag. The study focused on the Écobétons durability, especially their resistance against carbonation, on the equivalence of Écobétons performances with the reference mixtures performances and on the composition and microstructure parameters controlling the kinetics of carbonation. Carbonation has been studied in natural and accelerated conditions. The results show that Écobétons mixtures with high substitution rates of cement by fly ash (50 %) and blast-furnace slag (75 %) could replace, in some cases, concretes that are in accordance with the current standard.In addition to the experimental study, numerical simulations of the coupling between hydration and drying were conducted in order to determine the effect of drying on the properties controlling the accelerated carbonation kinetics of the studied concrete mixtures (porosity, Portlandite content and water saturation degree). The results show that the kinetics of drying increases with the degree of substitution of cement by mineral additions. They also question the relevance of the preconditioning of the samples during accelerated carbonation test conducted according to the French standard XP P 18-458.

Ce travail est axé sur l'étude de l'évaporation lente d'un liquide confiné dans un tube capillaire de section carrée, en lien avec l'étude du phénomène de séchage. Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides se forment par capillarité le long des coins internes. L'évaporation du liquide en sommet de film engendre un pompage capillaire et l'espèce volatile est alors transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets visqueux et de gravité qui s'opposent tous deux au mouvement du liquide vers le sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche expérimentale. Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s'évaporer dans un tube capillaire carré. Plusieurs expériences d'évaporation sont réalisées en faisant varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et verticale). Une méthode de thermographie infra-rouge permet de mesurer le profil de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement de phase liquide-vapeur ainsi que sa position sont alors mesurables. A partir d'une méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées : position du ménisque principal, taux d'évaporation et épaisseur relative des films. En s'appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors que les cinétiques d'évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L'analyse de l'hydrodynamique des films montre qu'il est indispensable de prendre en compte l'arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l'écoulement au sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible à ce paramètre, qui limite l'extension des films. Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l'écoulement des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d'un capillaire carré quantitativement satisfaisant. / In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough, liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners. Evaporation of the liquid at the film top creates a capillary pumping. The volatile species is then transported in liquid phase to the top of the capillary. This efficient mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally.The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical). An infrared thermography method allows to measure the temperature profile along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of the films can be measured. The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the drying kinetics of capillary porous media. This finding allows to study evaporation in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into three main characteristic phases. The analysis of the hydrodynamic of the films shows that it is essential to take into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling of the flow in the films. We show that the phenomenon studied is very sensitive to the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension of the films. Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.

Cette thèse s’inscrit dans une volonté de développer un procédé de synthèse de phyllominéraux de type talc en continu et en utilisant la technologie supercritique (plus spécifiquement utilisant l’eau comme solvant) afin d’avoir des temps de synthèses compatibles avec le milieu industriel (très courts) : une dizaine de secondes seulement. Cette voie innovante offre la possibilité d'obtenir un talc synthétique présentant des propriétés uniques telles qu’une haute pureté minéralogique et chimique, une grande surface spécifique(plusieurs centaines de m²/g) et un caractère hydrophile (gel de talc synthétique stable) qui a ainsi conduit à la formulation du premier minéral de talc liquide (son homologue naturel étant hydrophobe). De plus, il a été mis en place un procédé de séchage de ce minéral liquide par CO2 supercritique permettant l’obtention d’un solide de très haute surface spécifique et facilement réhydratable. Ce procédé a permis également la fonctionnalisation du talc synthétique élargissant ainsi les domaines d’applications de ce nouveau minéral liquide. La voie supercritique semble être la voie privilégiée pour un développement à l’échelle industrielle de la fabrication de particules minérales synthétiques (phyllosilicatées, silicatées et autres) en milieu aqueux. Une étude sur l’impact environnemental de ce nouveau procédé a été réalisée afin d’identifier les pistes d’optimisation possibles pour que cette voie soit la plus durable possible. / This thesis project was carried out to develop a continuous process for supercritical fluid synthesis of phyllominerals (especially using water as solvent) to fit synthesis time with industrial requirements: about ten seconds only. This innovative route provides synthetic talc with properties such as high mineralogical and chemical purity, large surface area (several hundred m²/g) and hydrophilic nature resulting in the formulation of the first liquid talc mineral (its natural counterpart being hydrophobic). Moreover, supercritical CO2 drying process implementation allows the obtention of very high specific surface area solid material easily rehydratable to prepare stable synthetic talc gel. This process allows synthetic talc functionalization, thus widening the fields of application for this new liquid mineral. Supercritical route appears as the optimal route to develop industrial scale mineral synthesis preparation (phyllosilicates, silicates and others). Environmental impact study of this new process further identifies possible optimization trails to make this route as sustainable as possible.