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Within the context of the clinical treatment of human body calculi, this paper addresses the role of ultrasonically induced cavitation bubble clouds in the stone comminution. The fragmentation of calculi is widely assumed to be due to the high acoustic wave energy, while the exact contribution of cavitation is currently unknown. Based on in-situ experimental observations, post-mortem microtomography and acoustic simulations, the present work provides direct evidence on the role of cavitation bubbles in the stone surface fragmentation by correlating the detected damages to the observed bubble activity. Our results show that not all clouds erode the stone, but only those located in preferential nucleation sites whose locations are herein examined. In addition, quantitative characterizations of the bubble clouds and their trajectories within the ultrasonic field are discussed. These include experiments with and without the presence of a model stone in the acoustic path length. Finally, the optimal stone-to-source distance maximizing the cavitation-induced surface damage area has been determined. Assuming the pressure magnitude within the focal region to exceed the pressure cavitation threshold, this location does not correspond to the acoustic focus, where the pressure is maximal, but rather to the region where the acoustic beam and thereby the acoustic cavitation activity near the stone surface is the widest.

This publication is part of the proceedings of the Biot-Bažant Conference on Engineering Mechanics and Physics of Porous Materials, which took place virtually on June 1-3, 2021. It contains a one-page abstract and the video of the talk that was given at the conference.

In this thesis a recently proposed photomechanical spalling experiment has been used in light of identifying concrete failure properties under dynamic tension.The experimental technique uses ultra-high speed imaging, the grid method and the virtual fields method.First, in order to investigate the accuracy and validate the processing technique, a methodology of using simulated experiments has been developed by numerically simulating the entire identification process.In this way, several potential sources of errors have been investigated allowing to place guidelines on how to perform the experiment in a more reliable manner.Second, several latest ultra-high speed acquisition systems have been used in order to investigate their contribution to a possible measurement refinement.In this case, the trial experiments have been conducted on a material of known characteristics which allowed investigating the metrological performance of the acquisition system on the entire identification chain.Finally, the experimental methodology has been applied to testing several grades of concrete in light of identifying the material constitutive response as well as their fracturing characteristics under dynamic tension.The identified tensile strengths in this work were found to be consistently lower than those obtained from the standard processing of the rear-face velocity profile.Moreover, the values of the identified specific fracture energy were also found to be markedly lower than the ones often reported in the literature.; Ce travail thèse a pour objet une méthode expérimentale combinant un essai de traction indirect par écaillage et une mesure de champs à partir d’images obtenues par caméra ultra rapide, ceci à des fins d’identification des propriétés de rupture du béton sous chargement de traction dynamique. Cette méthode, proposée dans la littérature peu de temps avant le démarrage de ces travaux, fait ici l’objet d’une étude approfondi ainsi que d’une série de développements et d’amélioration. Les images obtenues sont traités par une technique de grille et la méthode des champs virtuels est appliquée pour identifier le comportement local des matériaux quasi-fragiles soumis à de hautes vitesses de déformation (plusieurs 100 1/s}). Dans un premier temps, afin de valider la technique de traitement maus aussi d’étudier l’incertitude de mesure associée, un simulateur de la chaîne de mesure complète a été mis au point. Il a été ainsi possible d’étudier l’influence de différentes sources potentielles d’erreurs qui peuvent être rencontrées dans le protocole expérimental. Cette étude a permis de retenir des recommandations sur les conditions de réalisations réelles de l’essai afin d’améliorer la fiabilité des mesures obtenues. D’un point de vue expérimental, différents capteurs ultra haute vitesse ont été utilisés afin d’étudier leur performances vis-à-vis des mesures réalisées. Ainsi, les campagnes d’essais ont été réalisées sur un matériau aux caractéristiques bien identifiées permettant l’étude des performances métrologiques de toute la chaine d’identification, pour chaque modèle de capteur. Enfin, le protocole expérimentale a été mis en place pour étudier le comportement de plusieurs types de béton soumis en traction dynamique. L’objectif, ici, est d’identifier leur comportements mécaniques ainsi que leur caractéristiques de rupture et fragmentation sous traction dynamique. En ce qui concerne la résistance à la traction, les valeurs identifiées dans cette étude sont inférieures, pour chaque cas, à celles rapportées dans la littérature et obtenues, pour la plupart, à partir du traitement de la vitesse matérielle mesurée en face arrière de l’échantillon. Pour ce qui est de l’énergie spécifique de rupture, les valeurs obtenues dans ces travaux sont égalements inférieures à celles publiées dans les revues scientifiques.

In this thesis a recently proposed photomechanical spalling experiment has been used in light of identifying concrete failure properties under dynamic tension.The experimental technique uses ultra-high speed imaging, the grid method and the virtual fields method.First, in order to investigate the accuracy and validate the processing technique, a methodology of using simulated experiments has been developed by numerically simulating the entire identification process.In this way, several potential sources of errors have been investigated allowing to place guidelines on how to perform the experiment in a more reliable manner.Second, several latest ultra-high speed acquisition systems have been used in order to investigate their contribution to a possible measurement refinement.In this case, the trial experiments have been conducted on a material of known characteristics which allowed investigating the metrological performance of the acquisition system on the entire identification chain.Finally, the experimental methodology has been applied to testing several grades of concrete in light of identifying the material constitutive response as well as their fracturing characteristics under dynamic tension.The identified tensile strengths in this work were found to be consistently lower than those obtained from the standard processing of the rear-face velocity profile.Moreover, the values of the identified specific fracture energy were also found to be markedly lower than the ones often reported in the literature., Ce travail thèse a pour objet une méthode expérimentale combinant un essai de traction indirect par écaillage et une mesure de champs à partir d’images obtenues par caméra ultra rapide, ceci à des fins d’identification des propriétés de rupture du béton sous chargement de traction dynamique. Cette méthode, proposée dans la littérature peu de temps avant le démarrage de ces travaux, fait ici l’objet d’une étude approfondi ainsi que d’une série de développements et d’amélioration. Les images obtenues sont traités par une technique de grille et la méthode des champs virtuels est appliquée pour identifier le comportement local des matériaux quasi-fragiles soumis à de hautes vitesses de déformation (plusieurs 100 1/s}). Dans un premier temps, afin de valider la technique de traitement maus aussi d’étudier l’incertitude de mesure associée, un simulateur de la chaîne de mesure complète a été mis au point. Il a été ainsi possible d’étudier l’influence de différentes sources potentielles d’erreurs qui peuvent être rencontrées dans le protocole expérimental. Cette étude a permis de retenir des recommandations sur les conditions de réalisations réelles de l’essai afin d’améliorer la fiabilité des mesures obtenues. D’un point de vue expérimental, différents capteurs ultra haute vitesse ont été utilisés afin d’étudier leur performances vis-à-vis des mesures réalisées. Ainsi, les campagnes d’essais ont été réalisées sur un matériau aux caractéristiques bien identifiées permettant l’étude des performances métrologiques de toute la chaine d’identification, pour chaque modèle de capteur. Enfin, le protocole expérimentale a été mis en place pour étudier le comportement de plusieurs types de béton soumis en traction dynamique. L’objectif, ici, est d’identifier leur comportements mécaniques ainsi que leur caractéristiques de rupture et fragmentation sous traction dynamique. En ce qui concerne la résistance à la traction, les valeurs identifiées dans cette étude sont inférieures, pour chaque cas, à celles rapportées dans la littérature et obtenues, pour la plupart, à partir du traitement de la vitesse matérielle mesurée en face arrière de l’échantillon. Pour ce qui est de l’énergie spécifique de rupture, les valeurs obtenues dans ces travaux sont égalements inférieures à celles publiées dans les revues scientifiques.

International audience

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The paper describes quasi-static and dynamic experimental methods used to examine the confined shear strength of an Ultra High Performance Concrete, with and without the presence of steel fibers in the concrete composition. An experimental setup was created to investigate the concrete shear strength under quasi-static loading regime using a hydraulic press Schenk while dynamic shear strength was characterized by subjecting concrete samples to dynamic loading through a modified Split Hopkinson Pressure Bar. Both methods are based on a Punch Through Shear (PTS) test with a well-instrumented aluminum passive confinement ring that allows measuring the change of radial stress in the shear ligament throughout the test. Firstly, four equally distributed radial notches have been performed in order to deduce the radial stress by suppressing a self-confinement of the sample peripheral part. However, by analyzing the strain gauge data from the confinement ring, it has been noticed that these were apparently insufficient, especially for fiber-reinforced samples, resulting in subsequently practicing eight radial notches through the sample peripheral part. The results obtained from both procedures are reported and discussed.