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International audience; In 2017, the GFHN days focused on the measurement, characterisation and modelling of interactions between living and heterogeneous, natural and artificial porous media, and their applications in environmental management.The two themes addressed are- Ecosystem services of porous media;- measurement of water, matter and energy flows in porous media.; En 2017, les journées du GFHN ont porte sur la mesure, la caractérisation et la modélisation des interactions entre milieu vivant et milieux poreux hétérogènes, naturels et artificiels, et sur leurs applications dans la gestion de l’environnement.Les deux thèmes abordes sont :- services écosystemiques des milieux poreux;- mesure des flux d’eau, de matière et d’énergie, dans les milieux poreux.

The presented works is part of the study of protection against fire propagation. Two kinds of protections are distinguished : active protection, from detection to help the interventions of the firemen and passive protection. Passive protection is directly linked to the building structure. This protection can be directly applied to the structures to protect by projection or can be used under panel-forms to recover them. The layout of those panels can constitute ventilation ducts and smoke extraction ducts. Present research works focuses on the characterisation of the behaviour of mineral materials dedicated to the construction under severe thermal load. Homogeneous hydrated and highly permeable binders are particularly studied like material based on calcium sulphate. Indeed, the low thermal conductivity and the capacity of latent heat of the plaster are important criteria to delay the thermal transfers. However, its use is limited due to its low mechanical properties. To identify and understand mechanisms involved during a fire event, a multi-scale characterisation is developed with the use of gypsum-based materials. Works have been undertaken with gypsum, prepared from a natural β-hemihydrate mixed with water. At micro-scale, the composition of raw material and its thermal properties are studied. A particular attention was carried out the identification of the kinetics of phases transitions. At meso-scale, mechanical and structural characterisations are carried out at room temperature. Thermo-gravimetric tests are also developed: i) on cylindrical samples under isothermal condition. Shrinkage properties are analysed and, after cooling, a characterisation of the mechanical resistances and the porosity are carried out; ii) on spherical samples, with imposed heating rate, to study the transfer kinetics under isotropic temperature increase. The contribution of micro-scale is highlighted for each configuration. At macro-scale, investigations are done with plasterboard from which one face is exposed to a normalized temperature rise (ISO 834). The retained configuration is horizontal. The behaviour is described by a combined study of thermal, hydric, chemical, structural and mechanical properties. The space-time behaviour analysis allows distinguishing the influence of the temperature on the dehydration progress but also the influence of the heating rate and the micro-scale. The last part is dedicated to a multi-scale characterisation of plaster and silica fume mixtures. Those formulations allow in particular to improve the fire behaviour of the material and so to extend the duration of protection; Les travaux s’inscrivent dans le cadre de la protection contre la propagation d’incendie. On distingue les protections actives,regroupant l’ensemble des actions allant de la détection d’un incendie à l’intervention des secours, des protections passivesparties intégrantes de la structure des bâtiments. Ces protections peuvent être appliquées directement sur les structures à protéger par projection, ou venir les recouvrir au moyen de panneaux plus ou moins épais assemblés. L’assemblage de panneaux permet également de former des conduits de ventilation ou de désenfumage. Les travaux entrepris portent sur la caractérisation du comportement de matériaux minéraux dédiés à la construction sous chargement thermique sévère. Le cas de liants hydratés homogènes fortement perméables est particulièrement étudié et les matériaux à base de sulfate de calcium en est l’illustration. En effet, la faible conductivité thermique et la capacité de chaleur latente du plâtre représentent des critères importantspour limiter dans le temps les transferts thermiques. Cependant, son utilisation est limitée par ses faibles propriétésmécaniques. Afin d’identifier et de comprendre les différents mécanismes entrant en jeu lors d’une élévation de température de type incendie, une caractérisation multi-échelle a été développée sur des matériaux à base de gypse. Les travaux sont réalisés avec un plâtre pris fabriqué à partir d’un hémihydrate β naturel gâché à l’eau. A la micro-échelle, la composition du produit de base et ses propriétés thermiques ont été étudiées. Une attention particulière a été portée à lidentification des cinétiques de changements de phases. A la méso-échelle, une caractérisation mécanique et structurale est réalisée à température ambiante. Des essais thermogravimétriques sont également développés : (i) sur des échantillons cylindriques en condition isotherme, ce qui permet d’y associer une analyse dilatométrique et une caractérisation après refroidissement des résistances mécaniques et de la porosité ; (ii) sur des échantillons sphériques, à rampe de chauffe imposée, pour étudier les cinétiques de transferts pour une chauffe isotrope. Le rôle de la micro-échelle est mis en avant pour chaque configuration.A la macro-échelle, nous travaillons avec des panneaux plans dont une des faces est sollicitée thermiquement par élévationde température normalisée : ISO 834. La configuration d’étudeest horizontale. Une caractérisation du comportementthermique, hydrique, chimique, structurale et mécanique est alors mise en oeuvre. L’analyse du comportement espacetempspermet de distinguer l’influence de la température dansl’avancement de la déshydratation mais également le rôle desvitesses de chauffe et de la micro-échelle. Ces travaux se terminent par la caractérisation multi-échelle de mélanges plâtre-fumée de silice. Ces formulations permettent notamment d’améliorer la tenue du matériau à haute température et ainsi de prolonger la durée de protection

In building materials, such as mortars, cellulose ethers (CE) are used as water-retention agents. They prevent the loss of water due to absorption into the substrate during curing stage. They maintain wet conditions for proper hardening and final properties. However, the cause of retention remains unknown. First, we show through filtration tests and usual characterization methods (microscopy, light scattering) that CE solutions are composed of polydisperse aggregates of several tens of microns in diameter. We then show that a CE solution passing through a model porous medium (sieve) progressively block the sieve, even if the mesh size is much larger than the aggregates diameter, due to a statistical effect of blocking. This jamming effect also occurs during the flow through a 3D porous medium (stacks of glass beads), which led to the stopping of the fluid after a certain penetration depth of the medium. Finally, coming back to the retention standard tests with the real material (mortar) and comparing them to the filtration test we show that the latter is a good alternative test to characterize the CE retention capacity; Les éthers de cellulose (EC) sont des agents rétenteurs d'eau très utilisés dans les matériaux de construction: ils limitent fortement la perte d'eau due principalement à l'absorption dans le substrat pendant la cure, favorisant ainsi les réactions d'hydratation du ciment nécessaires à la prise qui assurent de bonnes propriétés mécaniques pour le matériau final. Cependant les causes exactes de ce phénomène de rétention d'eau restent encore incomprises à ce jour. Dans ce travail de thèse, afin d'analyser les mécanismes de la rétention, nous tentons de mieux comprendre pourquoi et comment les transferts hydriques sont modifiés en présence d'EC. Dans un premier temps, nous montrons, grâce à des tests de filtration et par les méthodes usuelles de caractérisation (microscopie, diffusion de la lumière) que les EC en solution forment des agrégats polydisperses de plusieurs dizaines de microns de diamètre. Nous montrons ensuite qu'une solution d'EC passant à travers un matériau poreux modèle (tamis) bouche progressivement ce tamis, même si la taille de maille est nettement supérieure à celle des agrégats, du fait d'un effet de blocage statistique. Cet effet de coincement se produit également lors de l'écoulement à travers un milieu poreux 3D (empilements de billes de verre), ce qui conduit à l'arrêt du fluide après une certaine hauteur de pénétration dans le milieu. Enfin, en revenant aux tests standards de rétention avec le matériau réel (mortier) puis en les comparant au test de filtration à travers un tamis nous montrons que ce dernier est un bon test alternatif qui permet de caractériser la capacité de rétention des EC

Ce rapport présente le travail effectué au sein de l’UMR EMMAH à Avignon sur le code éléments finis Fafemo. Ce code donne une solution numérique des équations non linéaires de Richards traduisant les écoulements dans les milieux poreux non saturés. J’ai d’abord amélioré le code séquentiel en utilisant des méthodes itératives pour résoudre les systèmes linéaires creux (PETSc) et le mailleur Gmsh. Les coûts de calcul ont été significativement réduis. Cependant, l’objectif principal de ce stage a été de concevoir une version parallèle et efficace de Fafemo. J’ai effectué les tests de cette version parallèle sur deux clusters (Migale et Jade, le plus puissant cluster français). Ce travail a permis de faire un premier pas vers la modélisation du comportement de milieux poreux fortement hétérogènes comme les substrats des toitures terrasses végétalisées, This manuscrit presents the work done on Fafemo software based on finite element methods at the EMMAH laboratory in Avignon. This software gives us numerical solutions of Richards non linear equations for water flow in unsaturated porous media. First I improved the software using iterative methods to solve sparse linear systems (PETSc) and Gmsh as mesher. Computational costs have been significantly reduced. But the main goal of this training course was to develop a parallel version of Fafemo. This version was tested on Migale and Jade (the most powerful French cluster). This works leads to a first step in simulating water flow in heterogeneous ground with application to green roofs

International audience

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Ce projet de recherche a consisté à déterminer les propriétés hydriques effectives de l’horizon E&Bt d’un Albeluvisol, horizon fortement hétérogène. La démarche employée a été i) de mesurer les propriétés hydriques des deux sous-unités homogènes de l’horizon (les Volumes Elémentaires Représentatifs, VPE), ii) de caractériser l’organisation 3-D de celui-ci et iii) de modéliser ses propriétés hydriques effectives selon l’approche du Scaleway. Les propriétés hydriques ont été obtenues par des mesures de laboratoire. En particulier, la détermination de la conductivité hydraulique en régime insaturé sur des échantillons pluri-centimétriques a nécessité le développement d’une nouvelle méthode de mesure. Les propriétés hydriques des VPE ocre argileux et des VPE clairs limoneux sont significativement différentes. La géométrie 3-D de l’horizon a été caractérisée par la méthode géophysique de résistivité électrique. La structure électrique obtenue est discrétisée en deux phases dont l’organisation s’apparente à la structure de l’horizon. Sur des coupes verticales de cette structure, l’estimation des propriétés hydriques effectives de l’horizon a été réalisée par des calculs analytiques et par des simulations numériques. Les résultats montrent que la conductivité hydraulique est très dépendante de l’orientation de la structure du milieu. In fine, nous avons proposé une démarche opérationnelle permettant de déterminer rapidement la conductivité hydraulique effective d’horizons hétérogènes., Our research aims at determining the effective hydraulic properties of a highly heterogeneous horizon in an Albeluvisol. We first measured the hydraulic properties of the two homogeneous sub-units (Elementary Pedological Volume, EPV) of the horizon by developing a new laboratory protocol dedicated to the measurement of the unsaturated hydraulic conductivity on small pluri-centimetric samples. We demonstrated that the hydraulic properties of the clayey ochre EPV and the silty white EPV were significantly different. Secondly, we characterized the 3-D organization of the heterogeneous horizon by the geophysical method of electrical resistivity. The signal was sensitive to the difference of texture between the two EPV and, as a consequence, the electrical structure derived from the field measurements showed an organization close to the structure of the horizon. Thirdly, we estimated the effective hydraulic properties of the horizon using the Scaleway approach. The effective hydraulic properties were determined from analytical calculations or numerical modelling on 2-D slices of the 3-D structure. The results showed a strong relationship between the hydraulic conductivity and the structure of the soil horizon. Thank to our results of modelling, we finally proposed a simple practical approach to obtain the effective hydraulic conductivity of heterogeneous horizons.

The main objective of this work is the study, by a multi-scales approach, of the behaviour of building stonesof monuments with respect to deterioration. To this end, two building limestones, of which a few maincharacteristics are very close (total porosity, mechanical resistance), are studied: white tuffeau, which islargely employed in constructions of castles of the Loire Valley, and Sébastopol stone, used in Paris area.First of all, an observation of the various types of in-situ weathering and a case study on a naturallydeteriorated stone were carried out in order to note the various morphologies of deterioration and to identifywater like the agent vector of the phenomena of deterioration.In the second time, a multi-scales characterization was carried out in order to observe the fresh stones fromthe point of view of their mineralogical constitution, the morphology of their porous media and especially oftheir water properties (water retention capacity, properties of transfer of water in liquid form and vapourform) but also of their hydro-mechanical behaviour.The last part is devoted to the durability of the building stones with the study of compatibility betweenstones used in restoration. Indeed, behaviours of the stones during an artificial ageing test are compared.The different reaction of the two stones in relation with this same process of deterioration is to be linked totheir very dissimilar water properties. At last, a formulation and a hydro-mechanical characterization ofjoints of mortar are proposed in order to determine the criteria of compatibility between the mortar and thestones.; L'objectif principal de cette thèse concerne l'étude, par une approche multi-échelles, du comportement despierres de monuments vis-à-vis de l'altération. A cet effet, deux pierres de construction, dont certainescaractéristiques principales sont assez semblables (porosité totale, résistance mécanique), sont étudiées : letuffeau blanc, qui est largement employé dans les constructions des châteaux du Val de Loire, et la pierre deSébastopol, utilisée en région parisienne.Tout d'abord, une observation des différents types de dégradations rencontrées in-situ ainsi qu'une étude decas sur une pierre altérée naturellement ont été réalisées afin de constater les différentes morphologiesd'altération et d'identifier l'eau comme l'agent vecteur des phénomènes d'altération.Dans un second temps, une caractérisation multi-échelles a été effectuée afin de bien connaître les pierresnon-altérées du point de vue de leur constitution minéralogique, de la morphologie de leur milieu poreux etsurtout de leurs propriétés hydriques (capacité de rétention d'eau, propriétés de transfert de l'eau sous formeliquide et sous forme vapeur) mais aussi de leur comportement hydro-mécanique.La dernière partie est consacrée à la durabilité des pierres mises en oeuvre avec l'étude de la compatibilitéentre les matériaux utilisées en restauration. En effet, le comportement des pierres durant un essai devieillissement artificiel est comparé. La réaction différente des deux pierres face à ce même processusd'altération est à relier directement à leurs propriétés hydriques très dissemblables. En dernier lieu, uneformulation et une caractérisation hydro-mécanique de joints de mortier est proposée afin de déterminer lescritères de compatibilité entre le mortier et les pierres en oeuvre.

The main objective of this work is the study, by a multi-scales approach, of the behaviour of building stonesof monuments with respect to deterioration. To this end, two building limestones, of which a few maincharacteristics are very close (total porosity, mechanical resistance), are studied: white tuffeau, which islargely employed in constructions of castles of the Loire Valley, and Sébastopol stone, used in Paris area.First of all, an observation of the various types of in-situ weathering and a case study on a naturallydeteriorated stone were carried out in order to note the various morphologies of deterioration and to identifywater like the agent vector of the phenomena of deterioration.In the second time, a multi-scales characterization was carried out in order to observe the fresh stones fromthe point of view of their mineralogical constitution, the morphology of their porous media and especially oftheir water properties (water retention capacity, properties of transfer of water in liquid form and vapourform) but also of their hydro-mechanical behaviour.The last part is devoted to the durability of the building stones with the study of compatibility betweenstones used in restoration. Indeed, behaviours of the stones during an artificial ageing test are compared.The different reaction of the two stones in relation with this same process of deterioration is to be linked totheir very dissimilar water properties. At last, a formulation and a hydro-mechanical characterization ofjoints of mortar are proposed in order to determine the criteria of compatibility between the mortar and thestones., L'objectif principal de cette thèse concerne l'étude, par une approche multi-échelles, du comportement despierres de monuments vis-à-vis de l'altération. A cet effet, deux pierres de construction, dont certainescaractéristiques principales sont assez semblables (porosité totale, résistance mécanique), sont étudiées : letuffeau blanc, qui est largement employé dans les constructions des châteaux du Val de Loire, et la pierre deSébastopol, utilisée en région parisienne.Tout d'abord, une observation des différents types de dégradations rencontrées in-situ ainsi qu'une étude decas sur une pierre altérée naturellement ont été réalisées afin de constater les différentes morphologiesd'altération et d'identifier l'eau comme l'agent vecteur des phénomènes d'altération.Dans un second temps, une caractérisation multi-échelles a été effectuée afin de bien connaître les pierresnon-altérées du point de vue de leur constitution minéralogique, de la morphologie de leur milieu poreux etsurtout de leurs propriétés hydriques (capacité de rétention d'eau, propriétés de transfert de l'eau sous formeliquide et sous forme vapeur) mais aussi de leur comportement hydro-mécanique.La dernière partie est consacrée à la durabilité des pierres mises en oeuvre avec l'étude de la compatibilitéentre les matériaux utilisées en restauration. En effet, le comportement des pierres durant un essai devieillissement artificiel est comparé. La réaction différente des deux pierres face à ce même processusd'altération est à relier directement à leurs propriétés hydriques très dissemblables. En dernier lieu, uneformulation et une caractérisation hydro-mécanique de joints de mortier est proposée afin de déterminer lescritères de compatibilité entre le mortier et les pierres en oeuvre.

* INRA, Centre d'Avignon, Documentation, Domaine St Paul, Site Agroparc, 84914 Avignon cedex 9. * Directeurs de thèse: Yves Travi, François Lafolie Diffusion du document : INRA, Centre d'Avignon, Documentation, Domaine St Paul, Site Agroparc, 84914 Avignon cedex 9. Directeurs de thèse: Yves Travi, François Lafolie Diplôme : Dr. d'Université

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117 ref. * INRA CR Orléans - Documentation centre - 45166 Olivet Diplôme : Dr. d'Université