Face à la pénurie de granulats alluvionnaires, l’utilisation de granulats issus de roches massives est devenue systématique pour la formulation de mortiers ou de bétons. Ainsi, la part des granulats concassés de roche massive a fortement augmenté lors de la dernière décennie alors que, pour des raisons normatives dans le domaine du recyclage, la part des granulats recyclés est amenée à le faire lors de la prochaine. La relation de ces granulats avec l’eau et, plus particulièrement, de leur fraction fine est beaucoup plus complexe que celle de leurs prédécesseurs, les granulats naturels alluvionnaires. Ces particules plus poreuses sont à même d’absorber des quantités d’eau plus importantes mais elles le font, par ailleurs, avec des cinétiques peu comparables. Pour contrôler l’absorption d’eau des granulats poreux, il est d’usage de compenser l’absorption des granulats au moment de la formulation après avoir caractériser les granulats. Cependant, l’angularité et la rugosité de surface des granulats recyclés imposent d’adapter les normes actuelles utilisées pour la caractérisation de granulats alluvionnaires. Dans ce travail de thèse, nous proposons de mettre en place différentes méthodes pour caractériser les granulats concassés et recyclés. Dans un premier temps, nous étudions la méthode consistant à déterminer l’absorption d’eau par séchage de granulats saturés et nous montrons que cette méthode est plus particulièrement adaptée dans le cas de granulats de morphologie anguleuse. En effet, nous montrons que la baisse du taux de séchage est bien associée au passage de l’évaporation inter-grains à l’évaporation de l’eau intra-grains et que cette méthode permet une bonne estimation de l’absorption de granulats fins poreux. Dans un second temps, nous montrons que l’étude de la perte de rhéologie d’un mortier, à travers des mesures d’étalement, permet de déterminer l’absorption d’eau de granulats poreux. Nous étendons, dans une deuxième partie, notre étude aux conséquences inhérentes à l’utilisation de ces granulats dans un nouveau matériau cimentaire. Nous observons, à l’aide de la spectrométrie RMN, les transferts d’eau de la pâte de ciment fraîche vers les granulats poreux. Nous observons que l’absorption d’eau de granulats recyclés peut être réduite dans une pâte de ciment fraîche par rapport à l’absorption dans l’eau pure. Nous montrons que le prétraitement thermique généralement imposé en laboratoire aux granulats recyclés impacte la microstructure par la déshydratation d’hydrates tels que les aluminates et les silicates de calcium. En présence de la solution interstitielle de la pâte de ciment, la réhydratation des anhydres peut amener à une précipitation de calcium dans la porosité qui limite l’absorption par colmatage des pores / The environmental threat on non-renewable resources such as rounded natural aggregates strongly affects the materials available for the production of mortar or concrete. This leads to an increase in the relative contribution of alternative resources such as recycled or crushed aggregates. The interaction of water with these inclusions, especially the finest sand particles, is far more complex than in the case of the standard rounded natural aggregates. These alternative particles are indeed able to absorb far more water with very different kinetics than their previous counterparts. In order to take into account aggregates water content and correct the resulting water absorption with the aim of always producing the same material with the same properties, it is usual to correct the amount of mixing water added in the mix-design. However, the traditional standard used to measure rounded aggregates water absorption is not suitable for crushed aggregates. We propose, as a first step, to develop tests allowing for the assessment of water absorption and its kinetics in the case of crushed and recycled sands. To achieve this, we measure rheology losses of mortars by slump flow test and drying kinetics of saturated porous aggregates. We show that these methods are suitable to determine water absorption of crushed or recycled aggregates. In the second phase, we study the consequences of the use of porous aggregates in a new cementitious material. We observe water transfers between aggregates and fresh cement paste using nuclear magnetic resonance. We measure a lower final water absorption in the fresh cement paste than in pure water. We show that oven-drying of recycled aggregates in laboratory can impact cement paste microstructure by hydrates dehydration like calcium silicates or calcium aluminates. The rehydration of anhydrous by interstitial solution of fresh cement paste involves calcium precipitation in the pores and this precipitation can reduce water absorption by clogging aggregates porosity

La ouate de cellulose utilisée pour l’isolation est fabriquée à partir de fibres de papier broyé, traitées avec des additifs minéraux agissant comme agents ignifuges et antifongiques. La conductivité thermique du matériau final est aux alentours de 0,04 W/m.K, ce qui est comparable à la laine de verre, avec l’intérêt d’être fabriqué à partir de matériaux recyclés, représentant un taux d’énergie grise beaucoup plus faible. Le mode de mise en oeuvre par voie humide de la ouate de cellulose a plusieurs avantages par rapport à la voie sèche. Le fait que les fibres de cellulose se rigidifient avec l’eau, empêche le tassement du matériau, qui peut engendrer des ponts thermiques dans l’enveloppe du bâtiment. Par contre, la durée de séchage peut être très longue et variable selon le dosage utilisé et les conditions ambiantes d’application. Ce projet de recherche vise à trouver l’additif idéal permettant d’accélérer le séchage tout en conservant une bonne cohésion du matériau et le maintien de ses propriétés isolantes. Deux types de ouate de cellulose utilisés en isolation ont été caractérisés. Ils ont montré des différences de composition chimique, granulométrie et morphologie. L’influence de leurs caractéristiques physiques telles que la rétention d’eau, les isothermes d’adsorption d’eau et les proportions d’eau libre et liée sur le séchage du matériau final a été mise en évidence. Du point de vue de la mise en oeuvre, il a été démontré que le dosage en eau avait un impact important sur les propriétés finales du matériau. La densité, la résistance en compression et la conductivité thermique augmentent avec le dosage en eau. Un minimum de 14 kPa pour le module de compression a été défini comme le seuil de résistance permettant d’éviter le tassement. Ces propriétés ont été comparées avec celles de la ouate de cellulose compactée à sec et les résultats ont montré la forte influence de la rigidification et de la fermeture des pores du matériau. Deux voies ont été envisagées pour résoudre le problème du temps de séchage : l’ajout d’additifs aux propriétés adhésives permettant de réduire la quantité d’eau introduite en renforçant la cohésion de l’isolant, et l’ajout d’additifs permettant de modifier la tension de surface pour faciliter le départ de l’eau. Les additifs biosourcés potentiels ont été caractérisés à différentes concentrations et classés selon leur viscosité et leur pouvoir collant. Malheureusement plusieurs additifs ont dû être rejeté car ils présentaient un couple « propriété adhésive/pompabilité » non adapté. Une gamme de tensioactifs a également été testée par rapport à leurs tensions de surface. Les formulations pompables ont étés caractérisées par rapport à leurs temps de séchage, résistance en compression et conductivité thermique. Les additifs qui ont montré des contributions positives sur le séchage sont les lignosulfonates et le tensioactif cationique CTAB. L’influence de ces deux additifs a ensuite été étudiée avec un modèle numérique à travers le logiciel WUFI en prenant en compte l’impact sur le séchage, la météo, le dosage liquide et l’épaisseur de l’isolant. Les conditions optimales ont été définies. Le lignosulfonate s’est avéré être l’additif le plus efficace. Une première évaluation de la performance des nouveaux isolants en termes de résistance au feu et à la moisissure a été réalisée et des indications pour la suite de l’étude ont été proposées. / Cellulose insulation is manufactured from recycled paper fibres, treated with mineral additives acting as flame retardants and antifungals. Its consistency is similar to cotton wool. The fibres are sold in bulk to be blown into the walls and attics. Its thermal conductivity is around 0.04 W/m.K, which is comparable to glass wool, but it is made with recycled materials and has much lower embodied energy levels. It can be either blown dry or sprayed with water. The wet spray method for cellulose insulation has several benefits compared to the dry process. Since the cellulose fibres become rigid after drying, it prevents the compaction of the material thus avoiding thermal bridges in the building envelope. However, the time to reach the dry state may be very long and variable depending on the dosage used and the environmental conditions of application. There are many bio-based additives that can contribute to the reduction of this period and improve the cohesion of the material. This research project aims to find the optimal additive for this application while retaining the favourable properties of the insulating material. Two cellulose types have been characterized with regards to the properties of the fibres to determine their performance with water. Both samples showed differences in chemical composition, grain size, and morphology. The values of water retention, water adsorption isotherms and the proportions of free and bound water have been factors which have shown an influence on the drying of the insulation. Density, compressive strength, and thermal conductivity increased with moisture dosage. A minimum of 14 kPa for the compression module was defined as the resistance threshold to avoid settling. These properties were compared with those of the cellulose insulation compacted to dryness and the results showed the strong influence of the stiffening and pore closing process upon drying, on these properties. Potential bio-based additives were classified and characterized with regards between concentration, viscosity, and adhesive strength. A relationship between these parameters was established. Most showed Newtonian behaviour at low concentrations, with some non- Newtonian concentrations having a pumpable viscosity. Unfortunately several additives which showed good adhesive properties were too viscous and vice versa. A range of surfactants were also considered. Sprayable formulations were characterized with respect to their drying time, compressive strength and thermal conductivity. Additives which have shown positive contributions drying are the lignosulfonate and the cationic surfactant CTAB. The influence of these additives on drying, with varying weather, liquid dosage and thickness of insulation was defined with a numerical model through the WUFI software. Optimal conditions in which the lignosulfonate additive is more effective have been defined. A first assessment of the performance of new formulation in terms of fire and mould was made and indications for the continuation of the study of the material were formalized.

Les formulations des peintures à l’eau sont basées sur l’utilisation de suspensions colloïdales de particules de polymère dans l’eau (latex) et d’additifs dont principalement des pigments et des charges. La formation d’un film mince à matrice polymère par séchage d’un système colloïdal aqueux donne lieu à des phénomènes interdépendants d’une extrême complexité. Dans le cadre d’applications spécifiques, tels que le marquage routier, le séchage d’un latex formulé nécessite une minimisation des temps de séchage sans apport excessif d’énergie. Néanmoins, une fois sec, le film doit être aussi peu poreux que possible et avoir la meilleur tenue mécanique possible. L’objectif principal de cette thèse était d’identifier les paramètres clés pouvant jouer sur la vitesse de séchage d’une peinture aqueuse et de comprendre comment ces paramètres influencent les propriétés rhéologiques, les mécanismes de séchage du latex formulé et les propriétés mécaniques des films de polymères secs. Ceci dans le but d’apporter une meilleure compréhension au séchage de latex formulés ainsi qu’une aide à la formulation.Après identification des paramètres clés, des latex ont été synthétisés et formulés avec des additifs judicieusement choisis. L'influence des paramètres clés : nature du polymère, taille et distribution en taille des particules, ajout d'un agent de coalescence, d'un co-solvant, d'un agent dispersant et épaississant, de pigments et d’un agent de réticulation, a été étudiée au niveau du séchage des formulations et au niveau des propriétés mécaniques des films secs. Les études sur le séchage ont porté sur le séchage global, les mécanismes de déformation des particules et les mécanismes de séchage horizontal et vertical présent dans les latex. La vitesse de convection horizontale des particules a été mesurée par diffusion multiple de la lumière. Des comparaisons avec des modèles théoriques ont été effectuées. Les propriétés des films secs ont été comparées par analyse dynamique mécanique et par tribologie. / Aqueous paints are made of colloidal suspensions of polymer in water (latex) and additives (mainly pigments and fillers). Latex film formation consists of complex and interdependent phenomena. In case of specific applications, such as road marking, formulated latex must dry fast without excessive supply of energy. However, once dry, the film must be as less porous as possible, with good mechanical properties. The aim of this thesis was to identify the drying key parameters and to understand their influence on the rheology, the drying mechanisms of formulated latex and the mechanical properties of the dried films. The final goal was to have a better understanding of formulated latex drying in order to improve the formulations. After identification of the drying key parameters, latexes have been synthetized and formulated with specific additives. The influence of the following drying key parameters: nature of polymer, size and size distribution of particles, addition of coalescing aid, co-solvent, dispersing and thickening agent, pigments and cross linker, was studied regarding the formulation drying and the dried films mechanical properties. The drying studies focused on the global drying rate of the formulations, the particles deformation mechanisms and the horizontal and vertical drying mechanisms observed in latexes. The particles horizontal convection rate has been measured with multiple light scattering. Comparisons have been made with theoretical models. Dried films mechanical properties have been compared with dynamic mechanical analysis and tribology.

Les probiotiques sont des micro-organismes vivants, capables d’interagir avec le microbiote et les cellules de l’organisme hôte. Par leurs présences ou leurs métabolismes, ils contribuent notamment à la régulation du système immunitaire. D’un point de vue technologique, le développement d’un complément alimentaire contenant des probiotiques nécessite la maitrise des étapes de sélection et de production d’une bactérie fonctionnelle sous forme sèche et revivifiable. Au cours de ce travail, nous avons développé des tests de criblage en cytométrie en flux, permettant de déterminer l’aptitude d’une bactérie à être séchée et l’origine de sa sensibilité. Pour mettre en place ces tests, nous nous sommes intéressés aux mécanismes mis en jeu lors du procédé de séchage. Ainsi, lors de la déshydratation, les micro-organismes vont subir simultanément un stress osmotique et un stress oxydant. Les résultats montrent un fort impact du séchage sur la viabilité et le potentiel immuno-modulateur avec une diminution de la composante pro-inflammatoire (IL-12). Pour protéger les bactéries, trois stratégies d’optimisation ont été développées : le séchage par formation de mousse, l’encapsulation dans une matrice alginate-protéines de pois, et le co-séchage d’une bactérie fragile avec une bactérie résistante. Les connaissances acquises au cours de cette étude ont permis d’optimiser la production industrielle de la souche finale du projet. Afin de répondre au nouveau cadre réglementaire européen, une étude clinique en double aveugle contre placébo est actuellement en cours (2011-2013) / Probiotics are live microorganisms that can act on the immune system at specific sites in the gastro-intestinal tract. From a technological point of view, the development of a dietary supplement containing viable and functional probiotics requires the control of the selection and production steps. In a first time, we have developed specific and sensitive screening tests to determine the ability of bacteria to be dried and the origin of its sensitivity. To develop these tests, we investigated the mechanisms involved during drying process. Thus, microorganisms simultaneously undergo osmotic stress and oxidative stress. Results show a strong impact of drying on the survival rate and immunomodulatory potential with a decrease of proinflammatory cytokines (IL-12). To protect probiotic bacteria, three optimization strategies have been developed: drying by foam formation, encapsulation of probiotic bacteria using a pea-protein alginate matrix and drying of a sensitive probiotic strain with a resistant bacterium. Knowledge obtained during this study was used to optimize the industrial process of the final strain of the project. A randomized double blinded (RDB) trial is in progress (2011-2013) to test the bacteria in humans

Les travaux de recherche entrepris dans le cadre de cette thèse sont destinés à permettre de démontrer que dans la technique de projection, le béton de sable fibré peut remplacer le béton ordinaire habituellement utilisé.La technique de projection du béton est notamment utilisée dans les travaux de soutènement et de tunnels, la stabilisation des pentes mais aussi dans la conception des panneaux 3D.Le béton utilisé, à ce jour, dans la technique du béton projeté dans la conception des panneaux 3D est à base de gravillons 3/8 mm. Cependant, l'inconvénient avec ce mélange, c'est les pertes par rebond du matériau et de fibres qui sont importantes (jusqu'à 50%), d'où un impact économique défavorable et une influence négative sur les propriétés mécaniques du matériau en place sur le support.Le béton de sable composé d'un faible dosage en ciment, sable et une grande quantité de fines calcaires semble tout à fait indiqué pour pallier ce problème, étant donné les avantages que procurent ses finesse, cohésion, fluidité et homogénéité. Dans le cadre de cette étude, les performances du béton de sable projeté (BSP) ont été comparées à celles du béton ordinaire projeté (BOP). Pour le retrait, le comportement a aussi été confronté à celui du béton vibré. Les paramètres de comparaison ont concerné l'état frais (avant, pendant et après projection) et l'état durci, avec une attention particulière portée aux taux de rebond des matériaux, aux résistances mécaniques et aux retraits (endogène et de dessiccation).Les résultats de nos investigations ont mis en évidence un certain nombre d'avantages du BSP par rapport au BOP. A cet effet, notons la réduction des pertes par ricochet des matériaux (béton et fibres) de moitié, avec des épaisseurs de couches de béton projeté de 9 cm contre 6 cm pour le BOP. L'autre point positif, c'est la qualité du fini de surface. Du point de vue de la résistance à la compression, le BSP présente une amplitude plus importante au jeune âge, mais équivalente à long terme. Le retrait endogène du BSP est similaire à ceux des BOP et des bétons vibrés (BV), aussi bien en amplitude qu'en cinétique. Quant au retrait de dessiccation, le BSP manifeste une déformation de l'ordre de 10% plus élevée que celle du BOP. Alors que par rapport au BV, la magnitude de la déformation du BSP est plus petite que celle du BV, et ce en dépit d'une perte d'eau par évaporation plus importante. Par conséquent, et en opposition à la majorité des résultats de la littérature, un perte de poids plus importante par dessiccation, n'implique pas systématiquement une déformation de retrait plus importante. L'autre résultat inattendu est que la structure monomodale de type « méso » du BSP est affectée par une cinétique de séchage plus rapide que la structure bimodale de type « macro » et « méso » du BV.Par ailleurs, l'ajout de 50 kg/m3 de fibres métalliques au BSP réduit le retrait de dessiccation de 16 %, alors que leur influence semble ne jouer aucun effet sur la cinétique ou la magnitude de la déformation du BOP, du moins dans les proportions du dosage utilisé.La proportion de mésopores semble un facteur décisif dans le comportement des retraits de dessiccation des bétons. Dans ce contexte, une explication est fournie pour mettre en relief les raisons du retrait moins important du BSP par rapport au BV, malgré une perte d'eau par séchage plus importante et un volume de pâte plus important. / This paper presents test results of mechanical properties of fibre reinforced sand-concrete (BSP) formulated to be used in the sprayed wet-mix process, as a substitution to fibre reinforced concrete (BOP) sprayed by dry-mix process. This process of application of concrete is suitable for diverse applications such underground support and slope stabilization. In BOP, formulated with aggregates up to 8 mm, both material and fibre rebounds are high (50 %); this results in economic implications, and affects the performances of the mixture negatively.BSP formulated with low dosage of cement, sand and high content of limestone filler, but without coarse aggregate; seems to be indicated to alleviate most of these problems, because of its fineness, high cohesiveness, high fluidity and better homogeneity. BSP was investigated and compared with BOP, on the basis of fresh and hardened properties with special emphasis on rebound, compressive strength and drying shrinkage. Results of investigations showed many advantages of this new mixture (BSP) when compared to BOP: reduction of material and fibre rebounds by approximately 50%, relatively substantially thicker layers (9 cm vs 6 cm), good finishing surface, higher early age compressive strength, and long term drying shrinkage close to that of BOP.Comparison of the results shows that the endogenous shrinkage of BOP, BSP and vibrated concrete (BV) is similar.On the other hand, the present study showed that a low amount of steel fibre (50 Kg/m3)reduces the drying shrinkage of BSP by approximately 16%.While, in the case of BOP, the influence is not significant.The aim of this study is to bring some answers to the questions about the delayed deformation of the shooting sand-concrete [BSP], which is made of aggregates up 5 mm.Drying shrinkage results, revealed that drying shrinkage of BSP is higher than that of BV in the short term. In the long term, it becomes lower than that of BV. However, the BSP loses more water during the period of shrinkage measurements than BV. Furthermore, pore size distribution shows that the mesoporous structure of BSP lost more water than the bimodal structure of BV, which includes macropores and mesopores. These particular porometric structures of BSP and BV are the main factor behind the difference of the drying shrinkage behaviour of the two mixtures.This is an interesting and unexpected result, which is not in accordance with the commonly accepted relationship between shrinkage and weight change of samples, and between moisture loss and porometric structure. This work provides an explanation for this phenomenon by taking into account the kinetics of drying and the porometry of the concrete.

Ces travaux de thèse portent sur la caractérisation des milieux poreux fortement déformables afin de modéliser le transfert réalisé au cours du séchage. La théorie de consolidation de Biot traduit le couplage hydromécanique se produisant durant la déshydratation d’un milieu poreux déformable. Le modèle de Cáceres s’appuie sur cette théorie et sur la loi classique de Darcy. Il est adapté aux grandes déformations du squelette solide et utilise un tenseur de contraintes de décomposition Terzaghi. Une simulation de la déshydratation par l’intermédiaire de ce modèle nécessite au préalable le renseignement de celui-ci en termes de caractéristiques thermophysiques. Deux dispositifs expérimentaux ont été mis en place : l’un mesurant la relaxation de charge, l’autre réalisant la pressurisation dynamique (DP). La 1ère expérience nous a permis de caractériser la perméabilité, le coefficient de Poisson et le module d’Young en fonction de la teneur en eau du gel. La 2ème expérience a révélé l’importance de la prise en considération de la compressibilité de la phase solide dans la modélisation du séchage du gel d’agar ainsi que, la nécessité de corriger la valeur du module de compressibilité de l’eau contenant du gaz dissout. Suite à cette étape expérimentale, nous avons concentré nos efforts sur la modélisation liée à notre étude. Tout d’abord, la DP étant conforme à l’hypothèse de faibles déformations, un modèle numérique basé sur les équations de Biot a été réalisé afin de valider les paramètres mesurés et de corriger la valeur estimée de la perméabilité. Un second modèle traduit le couplage thermo-hydro-mécanique lors du séchage convectif d’un milieu poreux fortement déformable comme les gels d’agar et d’alumine. Ce dernier s’appuie sur la théorie de Biot et d’une part s’adapte aux fortes déformations et d’autre part utilise l’approche eulérienne. Ce modèle constitue donc un compromis entre les modèles de Biot et de Cáceres et s’appuie sur l’étude thermodynamique de Coussy ce qui est une avancée dans la modélisation des gels déformables. / This thesis focuses on the characterization of strongly deformable porous media in order to model the transfer taking place during drying. The theory of consolidation of Biot reflects the hydro-mechanical coupling occurring during dehydration of a deformable porous medium. Cáceres developed a model based on this theory and on the classical Darcy’s law. It is suitable for large deformations of the solid skeleton and the stress tensor is decomposed according to the so-called Terzaghi’s principle. A simulation using this model requires the information in thermo-physical terms of characteristics. Two experimental setups were developed : one measuring the relaxation charge, the other called dynamic pressurization (DP). The first experiment allowed us to characterize the permeability, Poisson’s ratio and Young’s modulus as functions of water content of the gel. The second experiment showed the importance of taking into account the compressibility of the solid phase in the modeling of the drying of agar gel as well as the effect of the existence of bubbles on the bulk modulus of the water. The establishment of two models followed this experimental study. First, the DP is consistent with the hypothesis of small deformations, a numerical model based on Biot’s equations was carried out to validate the parameters measured and to correct the estimated value of the permeability. A second model reflects the thermo-hydro-mechanical coupling in the convective drying of highly deformable porous media such as agar gel and alumina. The latter is based on the Biot’s theory and on the thermodynamics study of Coussy. It uses the Euler’s method while staying adapted to large deformations.

La modification de la structure des matériaux par Détente Instantanée Contrôlée (DIC), implique nécessairement un processus d’autovaporisation instantanée en conditions thermodynamiques extrêmes de surchauffe du liquide. Les divers processus DIC de modification de la structure par expansion contrôlée, d’extraction et de refroidissement instantané sont d’un intérêt particulier. Les conditions opératoires et les caractéristiques spécifiques du produit interagissent mutuellement pour aboutir au meilleur résultat, principalement en termes de texture. Les modifications des caractéristiques structurelles généralement traduites par des taux d’expansion du produit, dépendent donc des conditions opératoires et des propriétés thermiques et rhéologiques de la matière. De nombreuses études initiales ont montré l’intérêt de déterminer l’évolution des divers processus à travers un suivi et un enregistrement instantané des images, des températures et de la pression à l’échelle de 1000 unités par seconde ; il a ainsi été indispensable de mettre en opération une caméra ultra rapide à 1000 images / s, des capteurs de température et de pression à temps de réponse de l’ordre du ms, placés dans le réacteur et au sein du produit. Une analyse fondamentale a prouvé l’importance de la thermodynamique, du transfert et de la problématique d’expansion pendant le traitement. L’analyse des expériences est réalisée par la détermination des taux d’expansion, surfacique et volumique, de la durée du processus d’expansion proprement dite, de l’analyse des caractéristiques micro-structurelles par MEB, mais principalement par la détermination de la température de transition vitreuse, de la différence de température minimale et d’ébullition, et du taux d’échange de chaleur. Plusieurs produits ont été étudiés (fromage, tofu, pomme, pomme de terre, carotte et banane). Des essais préliminaires adéquats ont permis d’identifier les domaines de variation des paramètres opératoires et d’adopter la méthode des plans d’expériences rota tables à cinq niveaux pour quantifier les diverses réponses nécessaires. / The structural modification of materials by the process of instant controlled pressure drop (DIC), is mainly based on the instant autovaporization process in very far from thermodynamic equilibrium conditions. The structure modification process and the volume evolution strictly depend on DIC operational parameters and the product characteristics mutually interacting to achieve the objective in terms of texture.The change in the structural characteristics of the product is generally revealed through the expansion rates of the product ; it depends on the operating conditions. This study will use a snapshot taken by a high speed video camera 1000 fps, coupled with 1 ms response temperature and pressure sensors, placed in the treatment vessel and inside the product. A fundamental analysis has proved the importance of thermodynamics, the transfer and the specific problematic of expansion during treatment. Study was carried out by determining the3D expansion ratio, the 2D surface expansion ratio, and the volumetric expansion ratio, as well as the durations of expansion just after pressure drops, the analysis of SEM micro-structural characteristics, the different glass transition temperatures Tg, the differences between lowest product and reactor temperatures and boiling temperature, and the heat exchange rate. Various products were considered (cheese, tofu, apple, potato, carrot and banana). The preliminary tests with each have led us to identify the relevant operating parameter ranges. Different fundamental conclusions and industrial application could be thus defined.

Les lits de séchage de boues plantés de roseaux (LSPR) existent en France depuis le début des années 1990. Ceux-ci ont principalement été développés pour le traitement de boues issues de station boues activées en aération prolongée. Cependant, ce procédé est trop souvent associé à des problèmes de dysfonctionnements liés à des dimensionnements et des gestions mal maîtrisés. En effet, les installations souvent composées de 4 lits souffrent de performances insuffisantes avec une siccité qui avoisine seulement 15 % contre 30, voire 35 % au Danemark où la technique est largement répandue. Une meilleure connaissance des divers mécanismes en jeux contribuerait sans conteste à accroître les potentialités de cette filière. En outre, avec la mise en place croissante de SPANC, l'augmentation future du flux de matières de vidange à traiter nous a également amené à transposer ce procédé vers ce type de produit. Pour cela le suivi de 16 pilotes de 2 m² en phase de démarrage et d'une installation de taille réelle de type « boues activées en aération prolongée » (13 000 EH, 8 lits de 470m² en fonctionnement depuis 4 ans) a permis d'étudier l'influence de différentes qualités de boues (boues activées épaissies ou non, matières de vidange), de la charge organique, et de la fréquence d'alimentation sur les performances de déshydratation et de minéralisation. Après un an et demi de phase de démarrage, ce travail de thèse se focalise sur le fonctionnement au nominale du système. Les expérimentations menées sur les pilotes ont permis d'identifier les limites du système, et ainsi émettre des préconisations de dimensionnement et de gestion pour chacun des deux types de boue étudiés. Parallèlement, des expériences menées en laboratoire ont permis de d'étudier plus finement les phénomènes en cause. Notamment en répondant aux questions relatives à l'influence de la qualité de la boue. De plus, une étude mécaniste a également été menée pour identifier l'influence du drainage et de l'évapotranspiration des roseaux sur la déshydratation des boues. Enfin, les processus impliqués dans la stabilisation des boues ont également été étudiés. / Sludge drying reed beds exist in France since the early 1990s and have been mainly developed for activated sludge treatment. Nevertheless, these systems often operate badly due to unadapted design and management strategy. The usual design for these facilities consists of 4 beds each being alternately fed during a week. Performances are low with a dryness around only 15% against 30 or 35% in Denmark where this technology is widespread. A better knowledge of the mechanisms will indisputably increase the potentiality of this process. Besides, taking into account the obligation of regulatory control of on-site wastewater treatment, communities are now facing larger volumes of septage. Therefore, one of the main idea of this study is to also use drying reed beds for septage treatment. Thus, 16 pilots of 2m² each and a full–scale plant (13 000 p.e., 8 beds of 470m² in operation for 4 years) have been monitored to study the influence of the sludge quality (activated sludge thickened or not, septage and a mixture of both), the sludge loading rate, and the load frequency on the dewatering and mineralization efficiencies. After one and a half year of commissioning period, this thesis focuses on the nominal operating conditions. Experiments carried out on pilots allow the limits of the system to be identifying. Hence, design and management recommendations for both types of sludge studied can be established. Meanwhile, laboratory experiments have aimed at evaluating more precisely the phenomena involved in the system. We first consider the influence of the sludge quality on its treatment ability on sludge drying reed beds. In addition, a mechanistic study was also conducted to identify the influence of drainage and reeds evapotranspiration on the sludge dewatering. Finally, the processes involved in the sludge stabilization were also investigated.

La carbonatation est une pathologie du béton armé qui peut engendrer la corrosion des armatures et à terme de la fissuration. Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs, les structures et les conteneurs seraient soumis simultanément à un échauffement (exothermie des déchets), au CO2 atmosphérique, ainsi qu'à un séchage important. Afin de rendre compte de leur évolution à l'échelle séculaire, les données actuelles relatives à la carbonatation à température ambiante doivent être complétées, d'une part par une description de la phénoménologie en température, et d'autre part, par la prise en compte de l'impact des transferts hydriques en température (séchage) sur la carbonatation en insaturé. Le travail présenté se focalise sur l’étude de la durabilité de quatre pâtes de ciment différentes dont deux sont directement dérivées des formulations de référence sélectionnées par l’Andra (CEM I et CEM V) et un mélange baspH. Le premier volet est dédié à l'étude des transferts hydriques reposant sur la conduite d'essais de désorption. Il a notamment permis la caractérisation des isothermes de désorption en température (20, 50et 80°C). L'impact thermique modifie les isothermes : la teneur en eau à l’équilibre chute avec la température et le point d'amorçage de la condensation capillaire est déplacé. Une phase de modélisation a conjointement été conduite en support aux expérimentations. L'utilisation de l'équation de Clausius-Clapeyron a permis de décrire l'effet de la température sur les isothermes (par la détermination de la chaleur isostérique d’adsorption de chacun des matériaux). Bien que l'impact de la température sur la microstructure des pâtes de ciment soit avéré, la prise en compte du déplacement des équilibres thermodynamiques suffit à restituer cet effet thermique sur les isothermes. La détermination des perméabilités intrinsèques par exploitation des cinétiques de désorption (par analyse inverse) a montré la thermoactivation du transport d'eau. La contribution de l'évolution de la microstructure en température ne peut-être négligée sur la perméabilité des matériaux.Le deuxième volet exploratoire, est consacré à l'étude de la carbonatation en température. Il repose sur la mise en place d'un dispositif de carbonatation spécifique (fonctionnement en température) et la conduite d'essais de carbonatation à HR et température contrôlées. La campagne de caractérisation (DRX et ATG)a conduit à l'obtention de profils de carbonatation caractéristiques de chaque couple (HR, Température).Les évolutions minéralogiques (décomposition des hydrates, distribution polymorphique du carbonate de calcium précipité) mises en évidence en température se rapprochent de celles identifiées à température ambiante. En revanche, il ressort que les conditions environnementales influencent significativement les proportions polymorphiques : plus l'HR est faible, plus les teneurs en phases métastables (vatérite,aragonite) sont élevées. Les réactions de dissolution-précipitation mises en jeu dans la transformation polymorphique (des états métastables vers la calcite) sont inhibées à faible HR, par manque de milieu réactionnel. La cinétique de carbonatation, également impactée par les conditions environnementales, est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydriques et sur la solubilité rétrograde des réactifs. Les profondeurs carbonatées sont maximales aux points d'amorçage de la condensation capillaire propres aux différents matériaux et à chaque température. Les profondeurs carbonatées augmentent avec la température jusqu'à une température limite, caractéristique de la formulation, au-delà de laquelle la solubilité rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.Cette phase de compréhension des mécanismes mis en jeu dans la carbonatation en température et de leur niveau de couplage effectuée, les modèles prédictifs de carbonatation en insaturé pourront être étendus à l'application en température. Les résultats de ce travail fournissent les données d'entrées et de validation nécessaires à la validation des simulations numériques. / Carbonation is the major cause of degradation of reinforced concrete structures. It leads to rebar corrosion and cracking of the concrete cover. In the framework of radioactive waste management, cement-based materials used as building material for structures or containers would be simultaneously submitted to heating (due to the waste thermal output), subsequent drying and atmospheric carbon dioxide. Such environmental conditions are expected to modify the carbonation mechanisms (with respect to temperature). In order to describe their long-term evolution of material, a double approach was developed, combining the description of carbonation and drying for temperatures up to 80°C to complement available data at ambient temperature. The present work focuses on the durability study off our hardened cement pastes; two of them are derived from the reference formulations selected by Andra(CEM I and CEM V) and a low-pH mix. The first experimental campaign focuses on moisture transfer. The effect of temperature on drying is investigated through water vapour desorption experiments. The first desorption isotherms of four hardened cement pastes was characterized at 20, 50 and 80°C. The results show a significant influence of the temperature. For a given relative humidity (RH) the water content equilibrium is always reduced temperature is increased and the starting point of capillary condensation is shifted towards higher RHs. The experimental campaign is complemented through modelling activities. The impact of temperature on the first desorption isotherms is effectively described using the Clausius-Clapeyron equation(characterization of the isosteric heat of adsorption). The intrinsic permeability to water is evaluated through inverse analysis by reprocessing the experimental weight loss of initially saturated samples submitted to constant environmental conditions. The intrinsic permeability appears to increase with temperature in relation to the observed microstructure evolution (porosity coarsening).The environmental conditions impact is studied using preconditioned samples (12 different RHs and 20,50 and 80°C) and accelerated carbonation tests. The latter are performed in a new device allowing accurate control of the environmental conditions as well as the carbon dioxide concentration. The carbonated depths and the mineralogical modifications induced by carbonation are assessed using XRDand TGA for each temperature and RH. Most of the mineralogical modifications notified in temperature(hydrates consumption and nature of crystallographic phase of calcium carbonate) are similar with these identified at ambient temperature. Yet the results show a significant influence of the environmental conditions on calcium carbonate polymorphic abundance: the lower the RH, the more abundant the metastable phases (vaterite and aragonite).The rate of the polymorphic transformation (from the metastable states into calcite by dissolution precipitation)is believed to decrease with RH because of lack of liquid water. A significant influence of the environmental conditions on the carbonation rate is also observed. It depends of the competition between the temperature effect on moisture transfer and retrograde solubility of reactants. Carbonation depths appear to be maximal at the RH-starting point of capillary condensation of each material and temperature. Carbonation depths increase with temperature until a limit of temperature characteristic of the material. Above this temperature, reactants solubility might control the main process.

Lors de la production du PVC en poudre, après l’étape de polymérisation en suspension, on obtient une bouillie constituée d’un mélange de grains macroporeux de taille comprise entre 100 et 200 μm et d’eau. L’étape de centrifugation permet la séparation de la phase liquide exprimable et la production d’un milieu poreux humide appelé « gâteau ». La teneur en eau du gâteau ainsi formé est de 30 % de la masse du produit anhydre. Le séchage du gâteau de filtration se fait dans un séchoir Flash (séchoir pneumatique) couplé à un séchoir à lit fluidisé. Cette opération, très gourmande en énergie et donc très impactante en termes d’émission de Gaz à Effet de Serre (GES), représente 30% du coût de fabrication et 50% des émissions de CO2. Ce travail, réalisé dans le cadre d’une collaboration avec le groupe INEOS ChlorVinyls, est consacrée à l’étude de l’étape de séchage thermique, et à la réalisation d’outils expérimentaux et théoriques permettant d’optimiser le fonctionnement et de réduire la consommation énergétique de cette étape. Dans ce but, l’étude du séchage du PVC est réalisée à l’échelle d’une particule isolée d’une part, et à l’échelle du procédé industriel d’autre part. La détermination expérimentale de la cinétique de séchage est effectuée en immergeant une quantité de produit humide (gâteau de filtration) dans un lit fluidisé de grosses particules inertes et chaudes (billes de verre), et permet d’étudier l’influence de différents paramètres sur la cinétique d’évaporation. Les résultats ont montré que cette cinétique est limitée par les processus d’évaporation à l’intérieur et à la surface des particules. Du point de vue théorique, un modèle dont le principe repose sur les bilans de matière et de chaleur à l’échelle du grain de PVC, couplés aux bilans sur le séchoir à lit fluidisé, a été élaboré. La comparaison des résultats de ce modèle avec les résultats expérimentaux a permis de vérifier la validité de la loi cinétique ainsi établie. Finalement, cette loi a été intégrée dans un modèle simulant le séchoir pneumatique industriel. Les résultats théoriques sont comparés à des mesures réalisées sur un séchoir pneumatique industriel équipé de capteurs de pression, d’humidité et de température. Les résultats de cette étude ont permis de proposer une nouvelle stratégie de régulation du séchoir pneumatique ainsi que des modifications du procédé, ne nécessitant pas d’investissement. L’ensemble de ces propositions a permis de réduire d’environ 30% la consommation énergétique pour un rendement de séchage équivalent. / In a PVC powder production line, the step of suspension polymerization produces a mixture of macroporous particles and water, called “slurry”. The mean particle size varies between 100 and 200 µm. The centrifugation step eliminates most of water content and produces a wet porous medium called “cake”. The water content of the cake is about 30% of the dry product mass. Drying operations take place in a Flash dryer (pneumatic dryer) coupled with a fluidized bed dryer. These operations, which consume a lot of energy and produce greenhouse gas, represent 30% of the production cost and 50% of the CO2 emissions. This work, realized in collaboration with INEOS ChlorVinyls group, is devoted to the study of the thermal drying step and to the realization of experimental and theoretical tools in order to optimize and reduce the energy consumption of this step. The study of the drying step is realized, on the one hand, at the particle scale and, on the other hand, at the industrial dryer scale. The particle scale drying kinetic is obtained by immersing a sample of wet product in a fluidized bed of warm inert particles (glass beads), and enables to study the influence of different parameters on the evaporation kinetic. The results have shown a limitation of this kinetic by the evaporation process both inside the particles and on their outer surface. In a theoretical way, a model based on mass and heat balances at particle scale coupled with fluidized bed balances, has been developed. The kinetic law developed is validated by the comparison between the results of this model and the experimental results. Finally, this law is integrated in a model simulating the industrial pneumatic dryer. The theoretical results are compared to the measurements realized on an industrial pneumatic dryer, equipped with several pressure, humidity and temperature sensors. The results of this study lead to the proposition of a new regulation strategy for the pneumatic dryer and some zero-investment modifications of the process. All these propositions enable an energy consumption reduction of 30%.