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Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Le béton est un matériau complexe essentiellement par son caractère composite, poreux et les fortes interactions à l'échelle microscopique de ses constituants avec l'eau. La pâte de ciment, constituant dont les propriétés évoluent le plus dans le temps, mérite une attention particulière. Ses caractéristiques élastiques au cours de l'hydratation sont estimées par homogénéisation des milieux aléatoires. Le modèle morphologique fait référence aux deux types de C-S-H (silicates de calcium hydratés) fréquemment évoqués : les C-S-H haute densité (ou inner products) forment une couche autour des particules anhydres, alors que les C-S-H basse densité (ou outer products) jouent le rôle d'une matrice poreuse. Les simulations du module de Young effectif au cours de l'hydratation sont en très bon accord avec les données expérimentales disponibles.

International audience; The solid phase of the porous material considered in this Note is made up of lamellar particles. The influence of interaction forces between platelets on the macroscopic behavior is addressed. The results provide a micromechanical basis to the modelling of the behavior of clays of the smectite group, for which repulsive forces arise from the electrical interaction between the solid platelets and the interstitial fluid.; On considère une classe de matériaux poreux dont la phase solide est constituée de particules feuilletées. On étudie l'impact sur le comportement macroscopique de l'existence de forces d'interaction entre feuillets, dans l'hypothèse où les glissements feuillets sur feuillets sont libres. Les perspectives d'application concernent les argiles de la classe des smectites, pour lesquelles des forces de répulsion proviennent de l'interaction électrique entre les feuillets solides et le fluide interstitiel.

International audience; The macroscopic response of a cracked solid subjected to drying is investigated within the framework of micromechanics. The originality of this contribution lies in the fact that the variations of the aspect ratios of cracks induced by the capillary pressure increase are accounted for. When the initial aspect ratio is small enough, it is shown that neglecting the geometrical changes yields an erroneous prediction of the sign of the macroscopic volume strain rate.; Le comportement d'un milieu poreux non saturé dont la phase solide est constituée d'un matériau élastique linéaire et dont l'espace poreux est constitué de fissures interconnectées entre elles est étudié par une méthode d'homogénéisation. L'originalité de l'approche réside dans la prise en compte des non linéarités géométriques dues aux déformations des fissures lors d'une variation de la saturation. Lorsque le rapport d'aspect des fissures est suffisamment petit, la prise en compte de cette non linéarité entraine une inversion du signe du taux de déformations volumiques de séchage prédit par rapport à une approche où ce couplage est négligé.

On démontre que l'influence de fissures fermées non frottantes sur les caractéristiques élastiques macroscopiques d'un milieu fissuré peut être évaluée par une technique d'estimation basée sur la théorie d'Eshelby. L'idée consiste à remplacer la fissure par un matériau fictif de module de cisaillement nul et de module de compression identique à celui du solide. La fermeture progressive des fissures est responsable de la non linéarité du comportement macroscopique. Ce phénomène permet de déterminer la distribution de la densité de fissures en fonction du rapport d'aspect initial.

Resume Partant d'une modelisation mixte d'un materiau renforce par une distribution uniforme d'inclusions traitees comme des poutres, on aboutit par homogeneisation a l'aide des puissances virtuelles, a un milieu homogeneise de type micropolaire. Ce modele est mis en œuvre dans le cadre de la theorie du calcul a la rupture, les capacites de resistance du milieu micropolaire etant deduites de la donnee des criteres de resistance de chaque constituant. L'approche cinematique par l'exterieur est alors appliquee sur l'exemple de l'analyse de stabilite d'un talus vertical.

The oil and gas production from unconventional reservoirs represents a large part of North America’s production. Improving the knowledge of source rock characteristics constitutes a major scientific and economic challenge. This thesis focuses on the elastic properties and anisotropy of source rocks and combines a multiscale experimental workflow with modeling using an effective medium approach.The studied samples come from Montney and Doig formations (Western Canada sedimentary basin). Our experimental data have been compared to an experimental database built from literature data of different source rock formations. This comparison illustrates the links between acoustic properties and several source rock internal parameters (density, porosity, composition) and external parameters (confining pressure during acoustic tests). The main observations show the influence of the content of clays and organic matter and of the porosity on the velocities and the specific influence of clays on the anisotropy of source rocks. The different components of Montney and Doig formations have been characterized through the combination of nanoindentation measurements and SEM-EDS analyses.The observations and experimental results of this thesis have been integrated into effective medium models which take into account source rock microstructure. A simple model based on five isotropic phases and one transverse isotropic phase (clays) has first been defined. It allows the estimation of the elastic properties of source rocks, but underestimates their anisotropy. This model has then been adapted to the specificities of Montney and Doig formations. For these formations, SEM observations indicate that clays and organic matter are localized between grains. The clays-OM-pores composite thus adds compliance to Montney and Doig formations by coating the other minerals. The elastic properties measured through nanoindentation are used as input data. The clays are modeled as an isotropic phase and the muscovite as a transverse isotropic phase. The derived model enables us to estimate the elastic properties and the anisotropy of our samples; La production d’huiles et de gaz issus des réservoirs non conventionnels représente aujourd’hui une très large part de la production d’Amérique du Nord. Une meilleure connaissance des propriétés des roches mères s’avère ainsi un enjeu scientifique et économique. Cette thèse s’oriente autour des propriétés élastiques et de l’anisotropie de ces roches. Elle combine des approches expérimentales à différentes échelles dont les résultats sont intégrés dans des modèles de milieu effectif.Les échantillons caractérisés proviennent des formations Montney et Doig (bassin sédimentaire ouest canadien). Les résultats de nos essais ont été comparés aux données de différentes formations roches mères provenant de la littérature ce qui a permis d’étudier les corrélations entre les propriétés pétroacoustiques et différents paramètres intrinsèques (densité, porosité, composition) et extrinsèques (niveau de confinement appliqué pendant les essais). Les principales observations montrent l’influence de la teneur en argiles et en matière organique et de la porosité sur les vitesses de propagation des ondes, ainsi que l’influence spécifique des argiles sur l’anisotropie du matériau. Les propriétés mécaniques des différents constituants des formations Montney et Doig ont été caractérisées grâce au couplage entre des mesures par nanoindentation et des analyses au MEB-EDS.Les différentes observations et résultats expérimentaux obtenus dans le cadre la thèse ont été intégrés dans une modélisation de type milieu effectif qui se veut représentative de la microstructure des roches mères (peu matures à très matures). Un modèle simplifié constitué de cinq phases isotropes et d’une phase isotrope transverse (argiles) a tout d’abord été défini. Ce modèle permet d’estimer les propriétés élastiques des roches mères mais sous-estime leur anisotropie. Par la suite, ce modèle a été adapté aux spécificités des formations Montney et Doig. Pour ces formations, les observations par microscopie électronique montrent que les argiles et la matière organique sont localisées entre les autres minéraux. Le composite argiles-MO-pores apporte ainsi de la souplesse au milieu en enrobant les autres minéraux. Les propriétés élastiques des différents constituants sont obtenues grâce à la nanoindentation. Les argiles ont été modélisées comme étant isotropes et la muscovite comme étant isotrope transverse. Le modèle propre aux formations Montney et Doig nous a permis d’estimer les propriétés élastiques et l’anisotropie de nos échantillons

The oil and gas production from unconventional reservoirs represents a large part of North America’s production. Improving the knowledge of source rock characteristics constitutes a major scientific and economic challenge. This thesis focuses on the elastic properties and anisotropy of source rocks and combines a multiscale experimental workflow with modeling using an effective medium approach.The studied samples come from Montney and Doig formations (Western Canada sedimentary basin). Our experimental data have been compared to an experimental database built from literature data of different source rock formations. This comparison illustrates the links between acoustic properties and several source rock internal parameters (density, porosity, composition) and external parameters (confining pressure during acoustic tests). The main observations show the influence of the content of clays and organic matter and of the porosity on the velocities and the specific influence of clays on the anisotropy of source rocks. The different components of Montney and Doig formations have been characterized through the combination of nanoindentation measurements and SEM-EDS analyses.The observations and experimental results of this thesis have been integrated into effective medium models which take into account source rock microstructure. A simple model based on five isotropic phases and one transverse isotropic phase (clays) has first been defined. It allows the estimation of the elastic properties of source rocks, but underestimates their anisotropy. This model has then been adapted to the specificities of Montney and Doig formations. For these formations, SEM observations indicate that clays and organic matter are localized between grains. The clays-OM-pores composite thus adds compliance to Montney and Doig formations by coating the other minerals. The elastic properties measured through nanoindentation are used as input data. The clays are modeled as an isotropic phase and the muscovite as a transverse isotropic phase. The derived model enables us to estimate the elastic properties and the anisotropy of our samples; La production d’huiles et de gaz issus des réservoirs non conventionnels représente aujourd’hui une très large part de la production d’Amérique du Nord. Une meilleure connaissance des propriétés des roches mères s’avère ainsi un enjeu scientifique et économique. Cette thèse s’oriente autour des propriétés élastiques et de l’anisotropie de ces roches. Elle combine des approches expérimentales à différentes échelles dont les résultats sont intégrés dans des modèles de milieu effectif.Les échantillons caractérisés proviennent des formations Montney et Doig (bassin sédimentaire ouest canadien). Les résultats de nos essais ont été comparés aux données de différentes formations roches mères provenant de la littérature ce qui a permis d’étudier les corrélations entre les propriétés pétroacoustiques et différents paramètres intrinsèques (densité, porosité, composition) et extrinsèques (niveau de confinement appliqué pendant les essais). Les principales observations montrent l’influence de la teneur en argiles et en matière organique et de la porosité sur les vitesses de propagation des ondes, ainsi que l’influence spécifique des argiles sur l’anisotropie du matériau. Les propriétés mécaniques des différents constituants des formations Montney et Doig ont été caractérisées grâce au couplage entre des mesures par nanoindentation et des analyses au MEB-EDS.Les différentes observations et résultats expérimentaux obtenus dans le cadre la thèse ont été intégrés dans une modélisation de type milieu effectif qui se veut représentative de la microstructure des roches mères (peu matures à très matures). Un modèle simplifié constitué de cinq phases isotropes et d’une phase isotrope transverse (argiles) a tout d’abord été défini. Ce modèle permet d’estimer les propriétés élastiques des roches mères mais sous-estime leur anisotropie. Par la suite, ce modèle a été adapté aux spécificités des formations Montney et Doig. Pour ces formations, les observations par microscopie électronique montrent que les argiles et la matière organique sont localisées entre les autres minéraux. Le composite argiles-MO-pores apporte ainsi de la souplesse au milieu en enrobant les autres minéraux. Les propriétés élastiques des différents constituants sont obtenues grâce à la nanoindentation. Les argiles ont été modélisées comme étant isotropes et la muscovite comme étant isotrope transverse. Le modèle propre aux formations Montney et Doig nous a permis d’estimer les propriétés élastiques et l’anisotropie de nos échantillons

Concrete is a material presenting basic creep (delayed strain evolving over time, under constant mechanical load, constant temperature and sealed conditions with respect to the humidity). This creep behaviour is also ageing (dependence of the evolution of the strain on the instant of application of the constant load, which does not correspond to a simple translation in time). This behaviour can be attributed to the "living" character of the material, whose microstructure evolves significantly over time at different scales. The concrete creep is critical for the prestressed containment building of nuclear power plants, since creep yields prestress relaxation. Obviously, the creep response measured on a test at less than 1 year cannot be directly transposed to a structural calculation for a load at 3 years. It is also excluded to wait several years to perform a creep test on a specimen. In order to connect these two strain responses, obtained by loading at two different instants, a material behaviour model integrating the ageing creep is necessary. To develop a model of material behaviour incorporating the ageing creep, given the multi-scale and multi-physics nature of concrete, creep experiments combined with the micro-mechanical modelling approach are attractive and are applied to the study of the VeRCoRs concrete, which is a typical mix design for the construction of the containment building. In fact, several orders of magnitude of dimensions separate the scale of physical mechanisms from the macroscopic scale. The validation will be done with regard to experiments on the VeRCoRs concrete. These micromechanical approaches are the subject of a research action in collaboration with EDF, ENPC and CEA Saclay. Homogenization of random media is a widely used practical and efficient tool to estimate the effective mechanical behavior of composite materials. However, when the microstructure evolves with respect to time, due to phase transformations, care should be taken when upscaling behaviors that themselves involve time, such as viscoelasticity. The improved approach in this thesis is able to overcome this limitation, building an equivalent composite replacing transforming phases by fictitious ageing viscoelastic phases to carry out the upscaling process. Applications to cement paste, to mortar and to the VeRCoRs concrete are proposed, referring to a simplified morphological model. Then it extends the approach developed at EDF to evolving morphological models of cement paste. Besides, we have generated a 3D numerical polycrystalline microstructure and compared the finite element simulation results with the analytical ones in the case of ageing viscoelasticity. Finally, the experimental campaign is carried out to characterize the ageing basic creep at different scales and at different ages of loading with the formulation of the VeRCoRs concrete in two ways : on concrete, complete the experimental program at different ages of loading; apply behaviour at lower scales (mortar and cement paste).These tests are carried out in the civil engineering laboratory in EDF les Renardières. A direct confrontation between the experimental results and the modelling results is performed. The ageing basic creep behaviour is compared with the application of mean-field homogenisation schemes; Le béton est un matériau présentant du fluage propre (déformation différée évoluant dans le temps, sous charge mécanique et état hydrique constants). Ce comportement en fluage est de plus vieillissant (l’évolution de la déformation dépend de l’instant d’application de la charge constante; il ne s’agit pas d’une simple translation en temps). Ce comportement vieillissant traduit le caractère « vivant » du matériau, dont la microstructure évolue considérablement au fil du temps. L’étude du fluage du béton est particulièrement critique pour les enceintes de confinement précontraintes, puisque le fluage a pour conséquence une relaxation de cette précontrainte dans le temps. Or les bétons d’enceinte sont mis en charge (application de la précontrainte) au bout de 2-3 ans environ, alors que les essais de fluage sur éprouvettes sont réalisés après 3 mois de maturation. Évidemment, la réponse en fluage mesurée sur un essai en moins d'un an ne peut être directement transposée sur un calcul de structure pour un chargement à 3 ans. Il est de même exclu d’attendre plusieurs années pour réaliser un essai de fluage sur éprouvette. Afin de relier ces deux réponses en déformation, obtenues par chargement à deux instants différents, un modèle de comportement matériau intégrant le fluage vieillissant s’avère nécessaire. Pour développer un tel modèle, compte tenu de la nature multi-échelle et multi-physique du béton, l’approche micromécanique représente une piste particulièrement attractive. En effet, plusieurs ordres de grandeur de dimensions séparent l’échelle des mécanismes physiques responsables du fluage de celle d’usage. La validation se fera vis à vis d’essais sur béton Vercors. Ces approches micromécaniques sont l’objet d’une action de recherche en collaboration avec l’EDF, l’ENPC et le CEA Saclay. La thèse vise à construire une loi de comportement de fluage propre vieillissant d’un béton, sur la base d’arguments physiques, par une démarche micromécanique, et à la valider expérimentalement. Le volet modélisation de la thèse présente deux objectifs principaux : déterminer le comportement vieillissant du béton à partir de celui de la pâte, et estimer le comportement vieillissant de la pâte elle-même à partir d’informations sur les micro-mécanismes sous-jacents. Le premier point constitue une application d’outils développés à EDF. Pour le second point, on commence par aborder le phénomène de solidification (précipitation progressive d’hydrates). Il s’agit alors d’étendre une approche mise au point à EDF à des modèles morphologiques évolutifs de pâte de ciment. Ces modèles micromécaniques sont développés de façon semi analytique (homogénéisation en champs moyens) et de façon numérique (homogénéisation en champs complets), afin de compléter le domaine couvert par la modélisation, ou de réaliser des intercomparaisons de résultats. L’homogénéisation numérique fait appel à la méthode des éléments finis appliquée sur des échantillons numériques 3D générés par des outils développés au CEA.. Cette double approche permettra en outre de vérifier le bon fonctionnement des outils développés. Le volet expérimental présente deux objectifs visant à compléter les données expérimentales concernant le comportement de fluage au jeune âge disponibles sur béton Vercors, dans deux directions :sur béton, compléter le programme de quelques échéances de chargement; caractériser le comportement aux échelles inférieures (du mortier et de la pâte de ciment).Ces essais sont réalisés dans le laboratoire génie-civil des Renardières (EDF) et servent notamment de données de validation des modèles micromécaniques

This thesis combines experimental and theoretical approaches to characterize the mechanical and durability properties of recycled aggregate concretes (RAC). The first part of the work is devoted to the quantification of the impact of recycled concrete aggregates on the mechanical and durability properties of RAC. The results show that mechanical and durability properties of recycled aggregate concretes depend not only on the physical properties of recycled concrete aggregates but also on their quantity in the microstructure. Furthermore, statistical indentation technique is used to capture the local mechanical properties of phases in the microstructure of RAC such as the interfacial transition zones and the attached mortar. The second part of this study deals with the multi-scale modeling of the mechanical and the durability properties of RAC. The main purpose of this theoretical work is to establish models capable to predict the macroscopic behaviour based on the available information on the microstructure (obtained by optical microscopy or through indentation technique). The established models take into account the complex structure of the recycled concrete aggregates. Finally, the results of the models are compared with experimental data for discussion; Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser les propriétés mécaniques et de durabilité des bétons à base de granulats recyclés. La première partie est consacrée à la quantification de l'effet des granulats recyclés sur les propriétés mécaniques et de durabilité de ces bétons. Les résultats montrent que les propriétés mécaniques et de durabilité des bétons à base de granulats recyclés sont sensibles non seulement aux propriétés physiques des granulats recyclés mais aussi à leur quantité au sein de la microstructure. Par ailleurs, une caractérisation des propriétés mécaniques locales grâce aux essais de nano indentation et micro indentation a aussi été entreprise; ce qui a permis d'avoir accès aux propriétés mécaniques des phases telles que les zones d'interface ou encore l'ancien mortier. La deuxième partie est une approche consacrée à l'établissement des modèles multi-échelles en mesure de rendre compte des propriétés macroscopiques (mécanique et de diffusion) des bétons à base de granulats de démolition en tirant profit des informations recueillies sur la microstructure (observation au microscope, nano et micro indentation,...). Une prise en compte du caractère complexe des granulats recyclés a aussi été abordée dans ce développement théorique. Enfin, une comparaison des résultats des modèles avec ceux expérimentaux est présentée puis discutée dans ce travail

Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser les propriétés mécaniques et de durabilité des bétons à base de granulats recyclés. La première partie est consacrée à la quantification de l'effet des granulats recyclés sur les propriétés mécaniques et de durabilité de ces bétons. Les résultats montrent que les propriétés mécaniques et de durabilité des bétons à base de granulats recyclés sont sensibles non seulement aux propriétés physiques des granulats recyclés mais aussi à leur quantité au sein de la microstructure. Par ailleurs, une caractérisation des propriétés mécaniques locales grâce aux essais de nano indentation et micro indentation a aussi été entreprise; ce qui a permis d'avoir accès aux propriétés mécaniques des phases telles que les zones d'interface ou encore l'ancien mortier. La deuxième partie est une approche consacrée à l'établissement des modèles multi-échelles en mesure de rendre compte des propriétés macroscopiques (mécanique et de diffusion) des bétons à base de granulats de démolition en tirant profit des informations recueillies sur la microstructure (observation au microscope, nano et micro indentation,...). Une prise en compte du caractère complexe des granulats recyclés a aussi été abordée dans ce développement théorique. Enfin, une comparaison des résultats des modèles avec ceux expérimentaux est présentée puis discutée dans ce travail This thesis combines experimental and theoretical approaches to characterize the mechanical and durability properties of recycled aggregate concretes (RAC). The first part of the work is devoted to the quantification of the impact of recycled concrete aggregates on the mechanical and durability properties of RAC. The results show that mechanical and durability properties of recycled aggregate concretes depend not only on the physical properties of recycled concrete aggregates but also on their quantity in the microstructure. Furthermore, statistical indentation technique is used to capture the local mechanical properties of phases in the microstructure of RAC such as the interfacial transition zones and the attached mortar. The second part of this study deals with the multi-scale modeling of the mechanical and the durability properties of RAC. The main purpose of this theoretical work is to establish models capable to predict the macroscopic behaviour based on the available information on the microstructure (obtained by optical microscopy or through indentation technique). The established models take into account the complex structure of the recycled concrete aggregates. Finally, the results of the models are compared with experimental data for discussion

Concrete is a material presenting basic creep (delayed strain evolving over time, under constant mechanical load, constant temperature and sealed conditions with respect to the humidity). This creep behaviour is also ageing (dependence of the evolution of the strain on the instant of application of the constant load, which does not correspond to a simple translation in time). This behaviour can be attributed to the "living" character of the material, whose microstructure evolves significantly over time at different scales. The concrete creep is critical for the prestressed containment building of nuclear power plants, since creep yields prestress relaxation. Obviously, the creep response measured on a test at less than 1 year cannot be directly transposed to a structural calculation for a load at 3 years. It is also excluded to wait several years to perform a creep test on a specimen. In order to connect these two strain responses, obtained by loading at two different instants, a material behaviour model integrating the ageing creep is necessary. To develop a model of material behaviour incorporating the ageing creep, given the multi-scale and multi-physics nature of concrete, creep experiments combined with the micro-mechanical modelling approach are attractive and are applied to the study of the VeRCoRs concrete, which is a typical mix design for the construction of the containment building. In fact, several orders of magnitude of dimensions separate the scale of physical mechanisms from the macroscopic scale. The validation will be done with regard to experiments on the VeRCoRs concrete. These micromechanical approaches are the subject of a research action in collaboration with EDF, ENPC and CEA Saclay. Homogenization of random media is a widely used practical and efficient tool to estimate the effective mechanical behavior of composite materials. However, when the microstructure evolves with respect to time, due to phase transformations, care should be taken when upscaling behaviors that themselves involve time, such as viscoelasticity. The improved approach in this thesis is able to overcome this limitation, building an equivalent composite replacing transforming phases by fictitious ageing viscoelastic phases to carry out the upscaling process. Applications to cement paste, to mortar and to the VeRCoRs concrete are proposed, referring to a simplified morphological model. Then it extends the approach developed at EDF to evolving morphological models of cement paste. Besides, we have generated a 3D numerical polycrystalline microstructure and compared the finite element simulation results with the analytical ones in the case of ageing viscoelasticity. Finally, the experimental campaign is carried out to characterize the ageing basic creep at different scales and at different ages of loading with the formulation of the VeRCoRs concrete in two ways : on concrete, complete the experimental program at different ages of loading; apply behaviour at lower scales (mortar and cement paste).These tests are carried out in the civil engineering laboratory in EDF les Renardières. A direct confrontation between the experimental results and the modelling results is performed. The ageing basic creep behaviour is compared with the application of mean-field homogenisation schemes; Le béton est un matériau présentant du fluage propre (déformation différée évoluant dans le temps, sous charge mécanique et état hydrique constants). Ce comportement en fluage est de plus vieillissant (l’évolution de la déformation dépend de l’instant d’application de la charge constante; il ne s’agit pas d’une simple translation en temps). Ce comportement vieillissant traduit le caractère « vivant » du matériau, dont la microstructure évolue considérablement au fil du temps. L’étude du fluage du béton est particulièrement critique pour les enceintes de confinement précontraintes, puisque le fluage a pour conséquence une relaxation de cette précontrainte dans le temps. Or les bétons d’enceinte sont mis en charge (application de la précontrainte) au bout de 2-3 ans environ, alors que les essais de fluage sur éprouvettes sont réalisés après 3 mois de maturation. Évidemment, la réponse en fluage mesurée sur un essai en moins d'un an ne peut être directement transposée sur un calcul de structure pour un chargement à 3 ans. Il est de même exclu d’attendre plusieurs années pour réaliser un essai de fluage sur éprouvette. Afin de relier ces deux réponses en déformation, obtenues par chargement à deux instants différents, un modèle de comportement matériau intégrant le fluage vieillissant s’avère nécessaire. Pour développer un tel modèle, compte tenu de la nature multi-échelle et multi-physique du béton, l’approche micromécanique représente une piste particulièrement attractive. En effet, plusieurs ordres de grandeur de dimensions séparent l’échelle des mécanismes physiques responsables du fluage de celle d’usage. La validation se fera vis à vis d’essais sur béton Vercors. Ces approches micromécaniques sont l’objet d’une action de recherche en collaboration avec l’EDF, l’ENPC et le CEA Saclay. La thèse vise à construire une loi de comportement de fluage propre vieillissant d’un béton, sur la base d’arguments physiques, par une démarche micromécanique, et à la valider expérimentalement. Le volet modélisation de la thèse présente deux objectifs principaux : déterminer le comportement vieillissant du béton à partir de celui de la pâte, et estimer le comportement vieillissant de la pâte elle-même à partir d’informations sur les micro-mécanismes sous-jacents. Le premier point constitue une application d’outils développés à EDF. Pour le second point, on commence par aborder le phénomène de solidification (précipitation progressive d’hydrates). Il s’agit alors d’étendre une approche mise au point à EDF à des modèles morphologiques évolutifs de pâte de ciment. Ces modèles micromécaniques sont développés de façon semi analytique (homogénéisation en champs moyens) et de façon numérique (homogénéisation en champs complets), afin de compléter le domaine couvert par la modélisation, ou de réaliser des intercomparaisons de résultats. L’homogénéisation numérique fait appel à la méthode des éléments finis appliquée sur des échantillons numériques 3D générés par des outils développés au CEA.. Cette double approche permettra en outre de vérifier le bon fonctionnement des outils développés. Le volet expérimental présente deux objectifs visant à compléter les données expérimentales concernant le comportement de fluage au jeune âge disponibles sur béton Vercors, dans deux directions :sur béton, compléter le programme de quelques échéances de chargement; caractériser le comportement aux échelles inférieures (du mortier et de la pâte de ciment).Ces essais sont réalisés dans le laboratoire génie-civil des Renardières (EDF) et servent notamment de données de validation des modèles micromécaniques

Starting from an industrial issue that is cracks onset when excavating a tunnel, this work aims at giving new insights into a more general problematic which is the initiation of macroscopic cracks. Thus, general and theoretical results are established. Nevertheless, they are applied in order to give some explanations to the excavation-induced fractures observed around the deep geological repository. To begin with, an idealised geometrical model is detailed and justified. Thanks to this preliminary work, we establish that the cracks that should be taken into account are closed ones. In addition we show that it's possible for small cracks length to work on an equivalent bidimensionnal problem. This last result allows us to apply the mixed criteria. After giving the definition of a stable crack initiation length we define our own criteria to predict cracks onset. In order to do so and in order to be more in adequacy with the caracter brutal of a crack initiation, we offer through a micromecanic modelisation to deploy the usual thermodynamic approach in an adiabatic context. Different methods to compute the key quantity which is the incremental energy released rate are then built. Finally, the criteria is applied to give some justifications to the anisotropic geometry of the excavation-induced fractures. In a second part of this work, we focuse on the problematics tied to the local damage models. For instance, the notion of stability for an equilibrium state is discussed. Hill's stability critera is adapted to damage problems. Once again, it seems that an adiabatic context is more suited and the differences implied are emphasized. To conclude, we offer to investigate the localisation issue in one dimensionnal problems; En partant d'une problématique industrielle correspondant à la naissance de fissures lors de l'excavation d'un tunnel dans un matériau argileux, nous proposons de nous intéresser à un sujet plus large qui est celui de la nucléation d'une fissure de dimension macroscopique. Ainsi, des résultats généraux et théoriques sont établis tout au long de ce mémoire. Ces derniers sont toutefois utilisés pour proposer une interprétation aux faciès de fissuration observés lors de l'excavation de galeries de stockage à grandeur profondeur. Dans un premier temps, un modèle géométrique idéalisé pour des fissures est justifié. Cette étude préalable permet à la fois d'acter la nature fermée des fissures susceptibles de nucléer ainsi que d'utiliser le critère mixte en statuant sur le bienfondé d'une étude bidimensionnelle équivalente. En précisant la notion de longueur de nucléation stable et en s'inspirant des outils classiques de la mécanique linéaire de la rupture, nous établissons dans un second temps notre propre critère de nucléation. Pour ce faire, nous proposons, grâce à des modélisations micromécaniques, de revisiter l'approche thermodynamique usuelle dans un cadre adiabatique afin d'être davantage en accord avec la brutalité du phénomène étudié. Par la suite, nous mettons aux points différentes méthodes permettant d'utiliser le critère suggéré. Enfin, le critère est mis en œuvre dans le cadre de la problématique industrielle initiale pour essayer de donner une justification à l'anisotropie des géométries des fissures observées, et ce, en prenant en compte les différentes directions de forage de l'ouvrage. Dans un deuxième temps, nous proposons de nous intéresser, de manière plus prospective, aux problématiques liées aux modèles locaux d'endommagement. Une attention particulière est accordée à la notion de stabilité des états d'équilibre. Ainsi, une adaptation du critère de Hill est proposée et des différences quantitatives sont soulignées lorsqu'un cadre adiabatique, nous paraissant plus justifié, est pris en compte. Enfin, le problème de la localisation de l'endommagement dans un problème unidimensionnel est abordé

Le présent travail propose et développe une méthodologie complète d'identification des propriétés mécaniques locales d'un matériau hétérogène à l'échelle des phases constitutives. Il s'agit d'une combinaison de compétences très diverses, à la fois en théorique, en simulation numérique et en expérimentation. Plus précisément, la partie théorique concerne la détermination des relations nano-micro pour le module d'indentation homogénéisé par des techniques de changement d'échelle; la partie numérique basée sur la théorie du calcul à la rupture est réalisée en vue de trouver de ces dernières relations applicables pour la dureté; et la dernière partie est effectuée pour récupérer les propriétés homogénéisées par la voie expérimentale à l'aide de la technique de nano-indentation. L'étude expérimentale de la thèse est pour l'objectif de déterminer des propriétés d'indentation de différents échantillons de pâte de ciment. Un programme expérimental complet, est développé, qui permet de caractériser des phases principales à l'échelle micrométrique de ce matériau, parmi lesquelles nous nous intéressons surtout à celles plus importantes correspondantes à des phases de la matrice C-S-H. La modélisation du problème lié à l'enfoncement d'une pointe d'indentation dans un matériau est étudiée. Pour cela, la première voie, basée sur l'approche cinématique du calcul à la rupture, consiste à tenter de construire des mécanismes de ruine analytiquement, puis à les faire évoluer en fonction du changement de la géométrie initiale, afin d'obtenir la charge de ruine correspondante. La seconde voie consiste ensuite à suivre la même approche, mais en construisant numériquement ces mécanismes de ruine. La charge obtenue dépend naturellement des paramètres de critères retenus, que l'on détermine grâce à la combinaison avec les résultats expérimentaux. Les critères de résistance de Von-Mises et de Tresca valables pour des matériaux purement cohérents ainsi que celui de forme elliptique sont examinés dans ce travail The present work proposes and develops a complete methodology for identifying the local mechanical properties of a heterogeneous material at the scale of the constitutive phases. It is a combination of very diverse skills in theory, in numerical simulation and in experimentation. More precisely, the theoretical part concerns the determination of the nano-micro relations for the indentation module; the numerical part based on the yield design theory is carried out to find the last relations applicable for the hardness; and the last part is performed to obtain homogenized properties by the experimental way using the nano-indentation technique. The experimental study of the thesis is for the purpose of determining indentation properties of different cement paste samples. A complete experimental program, is developed, which allows characterizing the main phases at the micrometric scale of this material, among which we are mainly interested in the C-S-H matrix phases. The modeling of the problem related to the penetration of an indentation point into a material is studied. For this, the first way, based on the kinematic approach of the yield design theory, consists in trying to construct ruin mechanisms analytically, then to make them evolve according to the change of the initial geometry, in order to obtain the corresponding ultimate load. The second way is then to follow the same approach, but by building numerically these ruin mechanisms. The obtained load depends naturally on the retained criteria parameters, which are determined by the combination with the experimental results. The Von-Mises and Tresca strength criteria for purely coherent materials as well as the elliptical one are examined in this work

The prediction of long-term behaviour of cementitious materials is a major concern which contributs to the study of the durability of prestressed structures. This work focuses on the use of the equivalent inclusion method, simplified multi-scale homogenization approach, for the prediction of creep in these materials. Creep is modelled by the non-ageing linear viscoelasticity. The equivalent inclusion method overcomes certain difficulties and limitations posed by conventional approaches. For cementitious materials (highly heterogeneous), conventional multi-scale approaches are, either digitally heavy and complex to implement, or not sufficiently detailed to take into account the specificities of a microstructure. The equivalent inclusion method presents a middle way and allows the calculation of simplified matrix-inclusion type microstructures and to provide estimates or bounds on the homogenized behaviour.Under its variational form, the equivalent inclusion method has, up to now, been implemented only for spherical inclusions. This work proposes to extend this method to ellipsoidal inclusions whose variation of slenderness allows the modelling of new aspheric elements such as cracks, fibers and portlandite crystals. Such enrichment of the geometry has an impact on the computation time, that is amplified in the context of creep. The second aspect of the work then applies to the extension of the equivalent inclusion method to the non-ageing linear viscoelasticity by means of the Laplace-Carson transform. An effective methodology (both from the viewpoint of precision and calculation time) is finally proposed to perform the numerical inversion of this transform; La prédiction du comportement à long terme des matériaux cimentaires est un enjeu majeur pour contribuer à l'étude de la durabilité des structures précontraintes. Le présent travail porte sur l'utilisation de la méthode de l'inclusion équivalente, approche d'homogénéisation multi-échelle simplifiée, pour la prédiction du fluage dans ces matériaux. Le fluage est modélisé par la viscoélasticité linéaire sans vieillissement. La méthode de l'inclusion équivalente permet de contourner certaines difficultés et limitations que présentent les approches classiques. Pour les matériaux cimentaires, fortement hétérogènes, les approches multiéchelles classiques sont ou bien numériquement lourdes et très complexes à mettre en œuvre, ou bien pas suffisamment détaillées pour prendre en compte les spécificités d'une microstructure. La méthode de l'inclusion équivalente présente un juste-milieu et permet de calculer des microstructures simplifiées de type matrice-inclusions et de fournir des estimations ou des bornes sur le comportement homogénéisé. Sous sa forme variationnelle, la méthode de l'inclusion équivalente n'a jusqu'alors été mise en œuvre que pour des inclusions de forme sphérique. Le présent travail propose d'étendre cette méthode à des inclusions de forme ellipsoïdale dont la variation de l'élancement permet de modéliser de nouveaux éléments asphériques tels que les fissures, les fibres et les cristaux de portlandite. Cette complexification de la géométrie a un impact sur le temps de calcul, qui est amplifié dans le cadre du fluage. Le second volet du travail porte alors sur l'extension de la méthode de l'inclusion équivalente à la viscoélasticité linéaire sans vieillissement par l'intermédiaire de la transformée de Laplace-Carson. Une méthodologie efficace (tant du point de vue de la précision que de celui du temps de calcul) est finalement proposée pour effectuer l'inversion numérique de cette transformée

Modelling composite media in view of determining its effective mechanical behaviour has been the topic of a large number of research papers. Some analytical and numerical models that can be found in the scientific literature on this topic take into account the interface effects that can arise at inclusions' boundaries. These interfaces have a major influence on the mechanical properties of composites according to some researchers. However, the models considering them are limited to spherical and cylindrical inclusions. In this work, several multi-scale approaches and models are developed to consider interface effects in the determination of the effective elastic and poroelastic properties and the failure mechanisms of granular composites. These models are performed on both spherical and ellipsoidal shapes of inclusions. The latter has led us to investigate an anisotropic inter-granular failure in granular media. The failure models developed in this work are applied to the microstructure of C-S-H gels (a cement paste hydrate) in order to improve the existing models on cement paste failure. The predictions of these improved models are compared to experimental data on the compressive strength of cement pastes; Ce travail s'inscrit dans le contexte des recherches menées pour la modélisation des composites aléatoires, permettant de déterminer leurs propriétés mécaniques effectives (élasticité et résistance). Parmi les modèles micromécaniques, numériques ou analytiques, développés dans ce but, on retrouve certains qui prennent en compte les effets d'interfaces se produisant aux frontières des inclusions des composites. Ces interfaces ont, selon plusieurs auteurs, une grande influence sur les propriétés élastiques et de rupture. Les modèles les considérant à ce jour sont néanmoins limités aux cas d'inclusions sphériques ou cylindriques. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs approches et modèles micromécaniques (ou multi-échelles) qui permettent de déterminer les propriétés élastiques et poroélastiques ainsi que les modes de ruptures de matériaux composites granulaires présentant divers effets d'interfaces. Les morphologies inclusionnaires étudiées ne se limitent pas à la forme sphérique mais s'étendent également aux inclusions ellipsoïdales ce qui nous a amené à examiner une rupture inter-granulaire anisotrope. Les modèles de rupture développés dans ce travail ont été appliqués aux gels de C-S-H (hydrates de la pâte de ciment) ce qui a permis d'améliorer les modèles de rupture consacrés aux pâtes durcies. Les prédictions de ces modèles ont pu être confrontées à des données expérimentales de résistance à la compression simple des pâtes

This thesis is focused on the strength, plasticity and transport properties of mudrocks. Two industrial applications are the shale gas production and the underground gas or waste storage. In a first part, the permeability is described as resulting from the homogenisation of the flow of a Newtonian fluid within the pore space. A Hashin-Shtrikman like framework is derived for the permeability upscaling and used to propose a FFT-based numerical method for the efficient computation of bounds on the permeability, directly compatible with a voxelised representation of the pore space. As an alternative, analytic homogenisation techniques based on the definition of equivalent permeable cells are developed to provide building blocks for the micro-mechanical modelling of permeability. The gas slip at pore walls is accounted for to model Klinkenberg effects for gas permeability. Partial water saturation is also considered to model relative gas permeability and gas breakthrough pressure. In the mean time, a thorough experimental investigation of the evolution of porosity and permeability with confining pressure and partial water saturation has been carried out on several types of mudrocks. In a second part, the ductile strength properties is studied. An efficient FFT-based numerical method is proposed to compute the homogenised strength domain of heterogeneous media with complex micro-structures. Next, a three-scale analytic model of the strength of a granular media reinforced by rigid inclusions with imperfect interfaces is presented. In a third part, this strength model is re-interpreted in plasticity to propose a purely micro-mechanical model, whose macroscopic interpretation is similar to the Cam-clay model, including hardening or softening due to an evolving porosity and a critical state line.; Ce mémoire s'intéresse aux propriétés de transfert, de résistance et de plasticité de roches argileuses. Deux enjeux industriels directs sont ladétermination du potentiel de production de gaz naturel des roches mères et de la capacité de rétention des roches de couvertures utilisées pour les stockages de gaz ou de déchets en milieu souterrain. Dans un premier temps, la perméabilité est décrite comme résultant de l'homogénéisation de l'écoulement d'un fluide visqueux dans le réseau poreux. Un cadre variationnel analogue à celui de Hashin et Shtrikman en élasticité est établi et mis à profit pour proposer une méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) pour le calcul efficace de bornes sur la perméabilité à partir de représentations tridimensionnelles voxelisées de milieux poreux. Par ailleurs, des techniques d'homogénéisation analytiques basées sur la définition de cellules perméables équivalentes sont proposées pour fournir des briques élémentaires pour la modélisation micro-mécanique de la perméabilité. Le phénomène de glissement du gaz aux parois est considéré pour rendre compte quantitativement d'effets du type Klinkenberg sur la perméabilité au gaz. L'effet d'une saturation partielle du réseau poreux sur la perméabilité et la pression de percée sont étudiés dans le cas de morphologies particulières des pores. En parallèle, une campagne expérimentale est conduite sur différentes roches argileuses issues de forages pour caractériser leur porosité et leur perméabilité sous diverses conditions de confinement mécanique et de saturation partielle en eau. Dans un second temps, les capacités de résistance sont étudiées sous hypothèse de rupture ductile. Une méthode numérique efficace basée sur la FFT est proposée pour encadrer par l'extérieur le domaine de résistance de milieux hétérogènes à géométrie complexe. D'autre part, une modélisation analytique à trois échelles de la résistance d'un matériau granulaire renforcé par inclusions rigides avec interfaces imparfaites est présentée. Enfin, une relecture élasto-plastique de ce modèle de résistance a abouti à un modèle purement micromécanique, dont l'interprétation macroscopique est analogue au modèle Cam-clay, avec écrouissage par changement de porosité et ligne d'états critiques.

This thesis is focused on the strength, plasticity and transport properties of mudrocks. Two industrial applications are the shale gas production and the underground gas or waste storage. In a first part, the permeability is described as resulting from the homogenisation of the flow of a Newtonian fluid within the pore space. A Hashin-Shtrikman like framework is derived for the permeability upscaling and used to propose a FFT-based numerical method for the efficient computation of bounds on the permeability, directly compatible with a voxelised representation of the pore space. As an alternative, analytic homogenisation techniques based on the definition of equivalent permeable cells are developed to provide building blocks for the micro-mechanical modelling of permeability. The gas slip at pore walls is accounted for to model Klinkenberg effects for gas permeability. Partial water saturation is also considered to model relative gas permeability and gas breakthrough pressure. In the mean time, a thorough experimental investigation of the evolution of porosity and permeability with confining pressure and partial water saturation has been carried out on several types of mudrocks. In a second part, the ductile strength properties is studied. An efficient FFT-based numerical method is proposed to compute the homogenised strength domain of heterogeneous media with complex micro-structures. Next, a three-scale analytic model of the strength of a granular media reinforced by rigid inclusions with imperfect interfaces is presented. In a third part, this strength model is re-interpreted in plasticity to propose a purely micro-mechanical model, whose macroscopic interpretation is similar to the Cam-clay model, including hardening or softening due to an evolving porosity and a critical state line, Ce mémoire s'intéresse aux propriétés de transfert, de résistance et de plasticité de roches argileuses. Deux enjeux industriels directs sont la détermination du potentiel de production de gaz naturel des roches mères et de la capacité de rétention des roches de couvertures utilisées pour les stockages de gaz ou de déchets en milieu souterrain. Dans un premier temps, la perméabilité est décrite comme résultant de l'homogénéisation de l'écoulement d'un fluide visqueux dans le réseau poreux. Un cadre variationnel analogue à celui de Hashin et Shtrikman en élasticité est établi et mis à profit pour proposer une méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) pour le calcul efficace de bornes sur la perméabilité à partir de représentations tridimensionnelles voxelisées de milieux poreux. Par ailleurs, des techniques d'homogénéisation analytiques basées sur la définition de cellules perméables équivalentes sont proposées pour fournir des briques élémentaires pour la modélisation micro-mécanique de la perméabilité.Le phénomène de glissement du gaz aux parois est considéré pour rendre compte quantitativement d'effets du type Klinkenberg sur la perméabilité au gaz. L'effet d'une saturation partielle du réseau poreux sur la perméabilité et la pression de percée sont étudiés dans le cas de morphologies particulières des pores. En parallèle, une campagne expérimentale est conduite sur différentes roches argileuses issues de forages pour caractériser leur porosité et leur perméabilité sous diverses conditions de confinement mécanique et desaturation partielle en eau. Dans un second temps, les capacités de résistance sont étudiées sous hypothèse de rupture ductile. Une méthode numérique efficace basée sur la FFT est proposée pour encadrer par l'extérieur le domaine de résistance de milieux hétérogènes à géométrie complexe. D'autre part, une modélisation analytique à trois échelles de la résistance d'un matériau granulaire renforcé par inclusions rigides avec interfaces imparfaites est présentée. Enfin, une relecture élasto-plastique de ce modèle de résistance a abouti à un modèle purement micro-mécanique, dont l'interprétation macroscopique est analogue au modèle Cam-clay, avec écrouissage par changement de porosité et ligne d'états critiques

This thesis is focused on the strength, plasticity and transport properties of mudrocks. Two industrial applications are the shale gas production and the underground gas or waste storage. In a first part, the permeability is described as resulting from the homogenisation of the flow of a Newtonian fluid within the pore space. A Hashin-Shtrikman like framework is derived for the permeability upscaling and used to propose a FFT-based numerical method for the efficient computation of bounds on the permeability, directly compatible with a voxelised representation of the pore space. As an alternative, analytic homogenisation techniques based on the definition of equivalent permeable cells are developed to provide building blocks for the micro-mechanical modelling of permeability. The gas slip at pore walls is accounted for to model Klinkenberg effects for gas permeability. Partial water saturation is also considered to model relative gas permeability and gas breakthrough pressure. In the mean time, a thorough experimental investigation of the evolution of porosity and permeability with confining pressure and partial water saturation has been carried out on several types of mudrocks. In a second part, the ductile strength properties is studied. An efficient FFT-based numerical method is proposed to compute the homogenised strength domain of heterogeneous media with complex micro-structures. Next, a three-scale analytic model of the strength of a granular media reinforced by rigid inclusions with imperfect interfaces is presented. In a third part, this strength model is re-interpreted in plasticity to propose a purely micro-mechanical model, whose macroscopic interpretation is similar to the Cam-clay model, including hardening or softening due to an evolving porosity and a critical state line.; Ce mémoire s'intéresse aux propriétés de transfert, de résistance et de plasticité de roches argileuses. Deux enjeux industriels directs sont ladétermination du potentiel de production de gaz naturel des roches mères et de la capacité de rétention des roches de couvertures utilisées pour les stockages de gaz ou de déchets en milieu souterrain. Dans un premier temps, la perméabilité est décrite comme résultant de l'homogénéisation de l'écoulement d'un fluide visqueux dans le réseau poreux. Un cadre variationnel analogue à celui de Hashin et Shtrikman en élasticité est établi et mis à profit pour proposer une méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) pour le calcul efficace de bornes sur la perméabilité à partir de représentations tridimensionnelles voxelisées de milieux poreux. Par ailleurs, des techniques d'homogénéisation analytiques basées sur la définition de cellules perméables équivalentes sont proposées pour fournir des briques élémentaires pour la modélisation micro-mécanique de la perméabilité. Le phénomène de glissement du gaz aux parois est considéré pour rendre compte quantitativement d'effets du type Klinkenberg sur la perméabilité au gaz. L'effet d'une saturation partielle du réseau poreux sur la perméabilité et la pression de percée sont étudiés dans le cas de morphologies particulières des pores. En parallèle, une campagne expérimentale est conduite sur différentes roches argileuses issues de forages pour caractériser leur porosité et leur perméabilité sous diverses conditions de confinement mécanique et de saturation partielle en eau. Dans un second temps, les capacités de résistance sont étudiées sous hypothèse de rupture ductile. Une méthode numérique efficace basée sur la FFT est proposée pour encadrer par l'extérieur le domaine de résistance de milieux hétérogènes à géométrie complexe. D'autre part, une modélisation analytique à trois échelles de la résistance d'un matériau granulaire renforcé par inclusions rigides avec interfaces imparfaites est présentée. Enfin, une relecture élasto-plastique de ce modèle de résistance a abouti à un modèle purement micromécanique, dont l'interprétation macroscopique est analogue au modèle Cam-clay, avec écrouissage par changement de porosité et ligne d'états critiques.

Noindent Clinker is the material obtained by calcination of a mix of clay and limestone, and it is the main component of Portland cement, a crucial ingredient for the majority of concrete used around the world. This clinker must be finely ground to have a sufficient reactivity. Mastering the grinding process is a key issue in the cement industry: it is the first source of expense in terms of electric consumption in a factory, partially because of the overall inefficiency of the process. Compressive grinding techniques, first appeared during the 80's, allow major improvements in terms of energy efficiency, but the general implementation is yet to come, hindered by process control issues, especially for high fineness. The goal of this study is a better understanding of phenomenons occurring during compressive grinding of clinker, in order to provide better process control for industrial installations when dealing with fine products. We particularly choose to study the behaviour, on a fundamental point of view, of a granular material subjected to grain fragmentation, using the numerical simulation of an Elementary Representative Volume of material through Discrete Element Method (DEM). We also looked for a behaviour law able to provide a link between stress, strain, and grain size evolution for the ground material, using at the same time micromechanics and homogenization technique, and a semi-empirical mass balance model. Finally, we made first efforts in the direction of modelling the whole process through numerical simulation by Finite Element Method (FEM), in order to tackle the issue met by the industrials in operations; On appelle clinker le matériau obtenu par cuisson de calcaire et d'argile et qui constitue le principal ingrédient du ciment Portland, composant essentiel de la majorité des bétons produits dans le monde. Ce clinker doit être finement broyé avant de pouvoir présenter une réactivité suffisante. La maîtrise des procédés de broyage représente un enjeu considérable pour l'industrie cimentière : il s'agit du premier poste en termes de consommation électrique d'une usine, en partie du fait de l'inefficacité des procédés employés. Les techniques de broyage par compression, apparues au cours des années 80, ont constitué un progrès majeur du point de vue de l'efficacité énergétique, mais la généralisation de leur utilisation a été freinée par des problèmes de maîtrise du procédé, en particulier pour des finesses importantes. L'enjeu de cette thèse est une meilleure compréhension des phénomènes en jeu lors du broyage par compression du clinker, en vue d'un meilleur contrôle des installations industrielles lors de la fabrication de produits fins. Nous nous sommes intéressés en particulier au comportement, du point de vue fondamental, d'un matériau granulaire subissant une fragmentation de ses grains, en nous appuyant sur la simulation numérique d'un Volume Elémentaire Représentatif de matière par les éléments discrets (DEM). Nous avons aussi recherché une loi de comportement permettant de relier contraintes, déformation, et évolution de la taille des particules pour le matériau broyé, en nous appuyant à la fois sur la micromécanique et les techniques d'homogénéisation, et un modèle semi-empirique de bilans de masses. Enfin, un premier pas vers la modélisation du procédé industriel et notamment sa simulation par éléments finis a été esquissé, afin de résorber les difficultés rencontrées en pratique par les industriels

With the rise of energetic demand and the growing scarcity of proved reserves of oil, the oil industry explores areas of extreme conditions and geologically complex basins. To estimate the key parameters for exploration-production, simulation softwares are used to reconstitute the history of the basin. The physical modelling and the numerical formulation on which they lean must be enriched to understand (even predict) overpressures. This thesis work contains two items: the improvement of the modelling of geomaterials using micromechanics and the development of a hydromechanical simulation tool handling the specificities of our problem. A new micromechanical modelling of geomaterials is designed to take into account the mechanism of pressure-dissolution (chemical compaction). The asset of micromechanics is to produce a macroscopic law calibrated with microscopic data which can be measured in laboratory. Since the work of Athy (1930), modelling the evolution of porosity over geological time-scale remains a major challenge. Today it is estimated by means of empirical curves of porosity-depth, which regrettably present a big variability. Our approach consists in evaluating the porosity during burial relatively to the strain of the skeleton and the pore pressure - these two coupled variables resulting from fundamental mechanical equations. An original formulation is designed according to this approach to treat the sedimentation and the desequilibrium compaction, tensorially, in large strains, following a mechanism of mechanical compaction, with a time-dependent behavior. Its numerical encoding is almost finished and has already been partially validated with analytical solution. Once finished, this simulation tool should allow to treat not only oedometrical situations but more general situations (contrary to current simulators) and study basins with complex tectonic history; Avec l'augmentation de la demande énergétique et la raréfaction des réserves prouvées de pétrole, l'exploration pétrolière se tourne vers des sites de plus en plus difficiles, notamment les bassins géologiquement complexes. Pour évaluer les paramètres clés de l'exploration-production, des logiciels de simulation sont utilisés pour reconstituer l'historique du bassin. La modélisation physique et la formulation numérique sur lesquelles ils s'appuient doivent alors être enrichies pour mieux appréhender (voire prédire) le développement des surpressions. Cette thèse comporte deux volets: l'amélioration de la modélisation du géomatériau grâce à la micromécanique et le développement d'un outil de simulation gérant les spécificités de notre problème. Une nouvelle modélisation micromécanique du géomatériau est proposée pour tenir compte du mécanisme de pression-dissolution (compaction chimique). L'intérêt de la micromécanique est d'obtenir une loi macroscopique calibrée avec des données microscopiques mesurables en laboratoire. Depuis les travaux d'Athy (1930), modéliser l'évolution de la porosité aux grandes échelles de temps reste une problématique majeure. Aujourd'hui elle est estimée à l'aide de courbes empiriques de porosité-profondeur, qui hélas présentent une grande variabilité. Notre approche consiste à calculer la porosité au cours de l'enfouissement à l'aide de la déformation du squelette et de la pression de pore, ces deux variables couplées étant issues de la résolution d'équations mécaniques fondamentales. Une formulation originale a été conçue selon cette approche pour traiter la sédimentation et le déséquilibre de compaction, tensoriellement, en grandes déformations, suivant un mécanisme de compaction mécanique, avec un comportement évoluant dans le temps. L'implémentation numérique est quasiment aboutie et a déjà été validée partiellement avec des résultats analytiques. Une fois finalisé, cet outil de simulation devrait permettre de traiter des situations non oedométriques (contrairement aux simulateurs actuels) et permettre l'étude des bassins à histoire tectonique complexe

This work composed of both experimental and theoretical studies aims at the characterization of carbonate rocks geomechanical evolution during CO2 injection. The first part of the study deals with the experimental work in order to characterize the petrophysical and geomechanical evolution of carbonate rock under chemical effect. Microstructure evolution has been investigated, in order to provider a better understanding of the observed phenomena at the macroscopic scale. The aim of the second part is to derive macroscopic properties of carbonate rock in framework of a micromechanical approach. The elastic moduli and effective strength in both intact and altered states have been computed and are compared with experimental data; Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser l'impact des effets géomécaniques lors de l'injection de CO2 dans une formation de calcaire. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale des évolutions des propriétés pétrophysiques et géomécaniques du calcaire étudié sous l'effet de l'altération chimique. L'évolution de la microstructure de la roche est également étudiée dans le but de comprendre les phénomènes observés à l'échelle macroscopique. La deuxième partie vise à définir, par approche micromécanique, un modèle de comportement géomécanique prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques de la roche carbonatée sous l'effet de l'attaque acide. L'élasticité et la résistance de la roche ont été modélisées et validées par les données expérimentales

The modern industrial activities (storage of nuclear waste, geothermal wells, nuclear power plants, ...) can submit cementitious materials to some extreme conditions, for example at temperatures above 200 ° C. This level of temperature will induce phenomena of dehydration in the cement paste, particularly impacting the CSH hydrates which led to the mechanical cohesion. The effects of these temperatures on the mechanical and transport propertes have been the subject of this thesis.To understand these effects, we need to take into account the heterogeneous, porous, multi-scale aspects of these materials. To do this, micromechanics and homogenization tools based on the Eshelby problem's solution were used. Moreover, to support this multi-scale modeling, mechanical testing based on the theory of porous media were conducted. The measurements of modulus compressibility, permeability and porosity under confining pressure were used to investigate the mechanisms of degradation of these materials during thermal loads up to 400 ° C; Les activités industrielles modernes (stockage de déchets nucléaires, puits géothermiques, centrales nucléaires, …) peuvent solliciter les matériaux cimentaires dans des conditions extrêmes, par exemple à des températures supérieures à 200 °C. Ce niveau de température va induire des phénomènes de déshydratation au sein de la pâte, impactant notamment les C-S-H, hydrate majoritaire à l'origine de la cohésion mécanique. L'effet de cette déshydratation sur les propriétés mécaniques et de transport a ainsi fait l'objet de ce travail de thèse. Afin d'appréhender ces effets, il convient de prendre en compte le caractère hétérogène, poreux et multi-échelle de ces matériaux. Pour cela, la micromécanique et les outils d'homogénéisation basés sur la solution d'Eshelby ont été utilisés. Par ailleurs, pour accompagner cette modélisation multi-échelle, des essais mécaniques basés sur la théorie des milieux poreux ont été menés. La mesure des modules de compressibilité, de la perméabilité et de la porosité sous confinement ont permis d'étudier les mécanismes de dégradation de ces matériaux lors de sollicitations thermiques jusqu'à 400°C

The modern industrial activities (storage of nuclear waste, geothermal wells, nuclear power plants, ...) can submit cementitious materials to some extreme conditions, for example at temperatures above 200 ° C. This level of temperature will induce phenomena of dehydration in the cement paste, particularly impacting the CSH hydrates which led to the mechanical cohesion. The effects of these temperatures on the mechanical and transport propertes have been the subject of this thesis.To understand these effects, we need to take into account the heterogeneous, porous, multi-scale aspects of these materials. To do this, micromechanics and homogenization tools based on the Eshelby problem's solution were used. Moreover, to support this multi-scale modeling, mechanical testing based on the theory of porous media were conducted. The measurements of modulus compressibility, permeability and porosity under confining pressure were used to investigate the mechanisms of degradation of these materials during thermal loads up to 400 ° C; Les activités industrielles modernes (stockage de déchets nucléaires, puits géothermiques, centrales nucléaires, …) peuvent solliciter les matériaux cimentaires dans des conditions extrêmes, par exemple à des températures supérieures à 200 °C. Ce niveau de température va induire des phénomènes de déshydratation au sein de la pâte, impactant notamment les C-S-H, hydrate majoritaire à l'origine de la cohésion mécanique. L'effet de cette déshydratation sur les propriétés mécaniques et de transport a ainsi fait l'objet de ce travail de thèse. Afin d'appréhender ces effets, il convient de prendre en compte le caractère hétérogène, poreux et multi-échelle de ces matériaux. Pour cela, la micromécanique et les outils d'homogénéisation basés sur la solution d'Eshelby ont été utilisés. Par ailleurs, pour accompagner cette modélisation multi-échelle, des essais mécaniques basés sur la théorie des milieux poreux ont été menés. La mesure des modules de compressibilité, de la perméabilité et de la porosité sous confinement ont permis d'étudier les mécanismes de dégradation de ces matériaux lors de sollicitations thermiques jusqu'à 400°C

Classical homogenization schemes, based on the solution to Eshelby's inhomogeneity problem, draw their popularity from the fact that they are both robust (even infinite contrast of the mechanical phases is allowed) and versatile (linear- as well as non-linear mechanical problems can be addressed), while the computations involved are very limited. Their flaw lies in the fact that they incorporate very little morphological information: problems such as the influence of the pore-size distribution, or the local orientation of anisotropic inclusions is out of their reach. Presently, only lengthy full-field calculations (FEM, BEM) can address such issues. The aim of this work is to devise new homogenization techniques, which are not as computationally involved as FEM or BEM calculations, while capturing more details of the microstructure than Eshelby-based techniques. Two methods are developed within the framework of the variational principle of Hashin and Shtrikman, which provides sound mathematical ground. The polarized inclusion method, on the one hand, aims to address composites with inclusions embedded in a homogeneous matrix. On the other hand, FFT-based homogenization techniques are known to alleviate the burden of a full-field calculation carried out with FEM or BEM. With the help of the Hashin and Shtrikman principle, new light is shed on these techniques, and a new, faster and more robust, FFT-based scheme is proposed. The cement industry would certainly benefit from such advanced homogenization schemes, since the macroscopic properties of cement pastes are known to heavily rely on the finest details (at sub-micron length-scales) of the porous network (within the C-S-H phase). Part of this work is devoted to the characterization of this network using two experimental techniques, namely small-angle X-ray scattering and tomography with soft X-ray microscopy. Attempts are made at quantifying the microstructure of C-S-H, in order to improve the estimates of its mechanical properties. A link between these two approaches is established. This attempt, perfectible, shows that popular models for C-S-H cannot account for these experimental data.; La popularité des schémas d'homogénéisation classiques, basés sur la solution d'Eshelby du problème de l'inhomogénéité, tient à leur robustesse (des contrastes infinis entre les raideurs des différentes phases sont permis) et leur adaptabilité (les problèmes linéaires aussi bien que non-linéaires peuvent être abordés), la complexité des calculs mis en jeu restant limitée. Le fait qu'ils ne prennent en compte de façon quantitative qu'une quantité restreinte d'informations morphologiques constitue leur principale faiblesse. Ainsi, des problèmes tels que l'influence de la distribution de taille des pores ou l'orientation locale d'inclusions anisotropes leur sont inaccessibles. A l'heure actuelle, seuls de longs calculs complets (par éléments finis/de frontière) permettent d'aborder ces questions. L'objet de ce travail est de mettre au point de nouvelles méthodes d'homogénéisation, de mise en oeuvre plus légère que les éléments finis/de frontière, tout en rendant compte de plus de détails de la microstructure que les techniques basées sur la solution d'Eshelby. Le principe variationnel de Hashin et Shtrikman fournit le cadre mathématique rigoureux dans lequel sont développées deux méthodes. La méthode des inclusions polarisées, tout d'abord, dont le but est le calcul de milieux hétérogènes constitués d'inclusions, plongées dans une matrice homogène. Pour un calcul complet d'une microstructure donnée, il est connu que les méthodes numériques d'homogénéisation par transformée de Fourier rapide (FFT) sont de sérieux compétiteurs des méthodes d'éléments finis/de frontière. Le principe de Hashin et Shtrikman permet de jeter un éclairage nouveau sur ces techniques, et un schéma numérique original d'homogénéisation par FFT est proposé dans un second temps ; il s'avère plus rapide et plus robuste que les schémas existants. L'industrie du ciment pourrait certainement tirer parti de tels schémas d'homogénéisation avancés, puisqu'il est connu que les propriétés macroscopiques des pâtes de ciment dépendent fortement des détails les plus fins (à l'échelle sub-micronique) du réseau poreux (dans la phase C-S-H). Une partie de ce travail est consacrée à la caractérisation de ce réseau à l'aide de deux techniques expérimentales : la diffusion des rayons X aux petits angles, et la microscopie X. L'accent a été placé sur l'interprétation quantitative de ces expériences, en vue d'améliorer les prédictions des estimations des propriétés mécaniques macroscopiques. Une connexion est établie entre ces deux approches. Cette tentative, encore perfectible, montre que les modèles classiques du C-S-H ne peuvent rendre compte de ces données expérimentales.

This thesis deals with the hydro-mechanical behaviour of argillite. Classical Biot theory is shown to be badly adapted to the case of argillite. An original state equation is then built by use of homogenization tools, and takes into account the microstructure of argillite as well as physical phenomena happening inside the material, like the swelling overpressure inside the clay particles or the capillary effects in the porous network. This state equation explains some experiments which were not by the classical Biot theory. It is then improved by integrating the experimental data that are the dependancy of the elasticity tensor with the saturation degree and the existence of a porosity surrounding the inclusions. Combined with the monitoring of length variation under hydric loading, this relevant state equation permits one to determine the Biot tensor of argillite. Since this state equation is coupled with the hydric state of the material, one is interested in modelling the variation of the saturation degree during a drying process. Two transport models are studied and compared, then a model for the porous network is proposed in order to explain the unusual permeability measurements.; Ce mémoire s'intéresse au comportement hydro-mécanique de l'argilite. On montre que la théorie classique de Biot n'est pas du tout adaptée au cas de l'argilite. Une loi de comportement originale est alors construite grâce à des outils d'homogénéisation, en intégrant la microstructure de l'argilite et des phénomènes physiques existant aux échelles microscopiques, tels la surpression de gonflement au niveau des particules d'argile et les effets capillaires au niveau du réseau poreux. Cette loi de comportement permet d'expliquer tout un jeu d'expériences qui ne l'était pas par la théorie classique de Biot. Elle est ensuite enrichie pour intégrer les données expérimentales que sont la dépendance du tenseur d'élasticite au degré de saturation et la présence d'une porosité autour des inclusions. Cette loi de comportement pertinente, exploitée à partir du suivi dimensionnel d'échantillons sous chargement hydrique, permet de proposer une estimation pour le tenseur de Biot pour l'argilite. Afin d'alimenter cette équation d'état, on s'intéresse par ailleurs aux variations du degré de saturation d'un échantillon lors d'un séchage. Deux modèles de séchage sont étudiés et comparés, puis une modélisation du réseau poreux est proposée afin d'expliquer les mesures atypiques de perméabilité.

This thesis deals with the hydro-mechanical behaviour of argillite. Classical Biot theory is shown to be badly adapted to the case of argillite. An original state equation is then built by use of homogenization tools, and takes into account the microstructure of argillite as well as physical phenomena happening inside the material, like the swelling overpressure inside the clay particles or the capillary effects in the porous network. This state equation explains some experiments which were not by the classical Biot theory. It is then improved by integrating the experimental data that are the dependancy of the elasticity tensor with the saturation degree and the existence of a porosity surrounding the inclusions. Combined with the monitoring of length variation under hydric loading, this relevant state equation permits one to determine the Biot tensor of argillite. Since this state equation is coupled with the hydric state of the material, one is interested in modelling the variation of the saturation degree during a drying process. Two transport models are studied and compared, then a model for the porous network is proposed in order to explain the unusual permeability measurements.; Ce mémoire s'intéresse au comportement hydro-mécanique de l'argilite. On montre que la théorie classique de Biot n'est pas du tout adaptée au cas de l'argilite. Une loi de comportement originale est alors construite grâce à des outils d'homogénéisation, en intégrant la microstructure de l'argilite et des phénomènes physiques existant aux échelles microscopiques, tels la surpression de gonflement au niveau des particules d'argile et les effets capillaires au niveau du réseau poreux. Cette loi de comportement permet d'expliquer tout un jeu d'expériences qui ne l'était pas par la théorie classique de Biot. Elle est ensuite enrichie pour intégrer les données expérimentales que sont la dépendance du tenseur d'élasticite au degré de saturation et la présence d'une porosité autour des inclusions. Cette loi de comportement pertinente, exploitée à partir du suivi dimensionnel d'échantillons sous chargement hydrique, permet de proposer une estimation pour le tenseur de Biot pour l'argilite. Afin d'alimenter cette équation d'état, on s'intéresse par ailleurs aux variations du degré de saturation d'un échantillon lors d'un séchage. Deux modèles de séchage sont étudiés et comparés, puis une modélisation du réseau poreux est proposée afin d'expliquer les mesures atypiques de perméabilité.