Academic literature on the topic 'Milieux granulaires – Texture'

Parmi les différents outils de caractérisation des géomatériaux (sols, bétons,. . . ), on s'oriente à l'heure actuelle de plus en plus vers des essais in situ faciles à réaliser. En effet, ceux-ci permettent une caractérisation fidèle du matériau en place ainsi qu'une multiplication du nombre d'essais dans la mesure où ils sont rapides, améliorant ainsi la prise en compte de la variabilité de ces matériaux. Mais si un certain nombre d'essais in situ permet de caractériser mécaniquement les géomatériaux, il n'en existe en revanche que très peu pour les caractériser d'un point de vue physique. C'est dans l'optique d'apporter un complément à un essai mécanique aveugle que la technique géoendoscopique a été mise au point et développée lors des six dernieres années. Cette technique consiste à prendre des images du sol sondé dans un forage, puis d'en extraire des propriétés morphologiques ou physiques grâce à des outils de segmentation et d'analyse d'image. Une fois les images acquises, des procèdures automatiques permettent de caractériser les géomatériaux suivant des critères de texture, de couleur et de granumétrie. Ces procédures sont basées sur des algorithmes utilisant des outils d'analyse d'images et de morphologie mathématique. Il s'agit aujourdhui d'étoffer ces procédures par la mise au point de nouveaux critères relatifs à de nouvelles problématiques : -la caractérisation de l'anisotropie in situ ; -l'amélioration des procédures granulométriques ; -l'amélioration de la classification des matériaux par analyse de la texture

Dans le cadre d'une étude sur la comprimabilité, un principe actif DS1 et trois qualités de son polymorphe, DS2, sont choisis comme modèle d'étude : DS2T et DS2CC, issus d'un même procédé de cristallisation, sont différents par leur finition, DS2SC est produit par cristallisation sphérique. Les investigations ont porté sur la cristallinité (polymorphisme), la texture (morphologie, granularité, surface spécifique, porosité), les propriètés rhéologiques (fonction d'écoulement) et la comprimabilité (réarrangement, densification, fragmentation, plasticité, acquisition de cohésion, porosité des compacts, sensibilté à la vitesse à l'aide d'un simulateur de compression). Cette dernière a pour objectif de mettre en évidence, à l'aide d'une presse uniaxiale, l'apport respectif de la structure cristallographique et de la texture sur le comportement global du matériau granulaire. Une stratégie de caractérisation de la comprimabilité des poudres à partir d'une faible quantité de matière première (< 10g) est proposée. L'analyse conjointe de trois excipients - lactose anhydre, cellulose et amidon de maïs - a conduit à proposer différents indices de caractérisation technologique dont les valeurs seuils sont validées à l'échelle industrielle. Des voies technologiques pour la fonctionnalisation des matériaux particulaires dès la cristallisation sont ensuite suggérées. La caractérisation de mélanges formulés - adjonction d'excipients et granulation par voie sèche - en utilisant ces indices technologiques et l'observation de coupes et fractures de compatcs par microscopie analytique, ont permis de déterminer la contribution respective des procédés de cristallisation et de mise en forme et de la formule sur le comportement global du produit prêt à comprimer. Ces résultats ont conduit à la proposition d'une méthodologie pour l'identification des points clefs en vue de la transposition et pour la rationalisation de la formulation des principes actifs dont un exemple d'application est proposé au travers l'étude de mélanges binaires DS2CC - excipients de compression directe.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à l'étude numérique de la texture et du comportement mécanique des matériaux granulaires à grande polydispersité. La polydispersité est considérée en termes d'étalement et de courbure de la distribution de tailles. Afin d'aboutir à des distributions de tailles représentatives, une méthode de génération ainsi qu'un modèle de courbe granulométrique sont présentés. La mise en place de grands échantillons denses par une méthode géométrique a permis de réaliser une étude systématique de l'influence de la polydispersité sur la texture. Le comportement mécanique est étudié par simulations numériques discrètes sur la base de la méthode de Dynamique des Contacts. Les échantillons sont successivement soumis à une relaxation uniaxiale et à un cisaillement simple avec des conditions aux limites périodiques afin d'atteindre respectivement l'état d'équilibre statique et l'état stationnaire après un cisaillement long. Nos résultats montrent que la distribution uniforme par fraction volumique conduit à la compacité la plus élevée. Dans l'état stationnaire, la résistance au cisaillement est indépendante de la polydispersité. Une analyse systématique de la texture permet de montrer que cette propriété résulte, d'une part, de la compensation mutuelle entre les anisotropies des directions de contact et des longueurs des vecteurs branches et, d'autre part, du fait que les forces fortes sont essentiellement transmise à travers les plus grosses particules. Enfin, en présence de forces d'adhésion, la cohésion de Coulomb augmente avec l'étalement granulométrique.

La destabilisation des pentes naturelles met souvent en jeu des matériaux non consolidés (rochers, sables, terres. . . ) qui constituent une phase solide discrète, granulaire. La façon dont la nature granulaire, par les interactions multiples et dissipatives qu'elle implique, influence d'une part la perte de stabilité d'un sol et d'autre part son écoulement, reste en grande partie à déterminer. Dans cette perspective, la modélisation numérique de milieux granulaires simples est secourable, car elle permet de produire de façon minimale les mécanismes de destabilisation de pentes, en donnant accès à l'ensemble des grandeurs (vitesses, forces. . . ) caractérisant le système multi-contact. Nous modélisons donc par Dynamique des Contacts l'évolution d'un lit granulaire à deux dimensions incliné dans le champ de gravité de manière à en destabiliser la surface libre. Dans un premier temps, la mobilisation du frottement macroscopique est étudiée en relation avec le modèle de plasticité de Mohr-Coulomb. Nous mettons en évidence que la limite de stabilité des lits granulaires intervient avant la limite de plasticité de Coulomb. Une analyse détaillée de la transmission hétérogéne des forces confirme le rôle essentiel de la texture granulaire sur le comportement global des empilements. Dans un second temps, nous nous intéressons aux forces de contact ayant atteint le seuil de frottement de Coulomb, dont la proposition peut être envisagée comme un paramètre d'ordre du système. Nous mettons en évidence l'apparition précoce de zones plastiques ; l'évolution de la taille moyenne de ces zones, divergente à l'approche de la limite de stabilité, suggère que celle-ci résulte d'un processus de percolation. L'analyse des forces et du frottement aux contacts font apparaître une échelle de longueur mésoscopique, de l'ordre de la dizaine de diamètres de grains. Cette échelle semble commander la selection d'une épaisseur coulante lors du déclenchement d'une avalanche de surface. L'ensemble de ces résultats est en faveur d'une description bi-phasique des milieux granulaires

Une buée ou de l’eau chaude peuvent détruire le caractère superhydrophobe d’une surface texturée, du fait de la condensation à l’intérieur des textures. Néanmoins, il a été observé que des matériaux couverts de cônes nanométriques peuvent résister à la buée, les gouttes issues de la condensation étant éjectées à l’occasion de leur coalescence. Nous avons tout d’abord montré expérimentalement par des images de microscopie électronique que la forme conique des textures permet bien aux gouttelettes d’eau d'être en “état fakir", y compris à très petite échelle. Nous avons ensuite étudié différentes familles de surfaces à cônes en variant l’espacement et la hauteur des textures. Aux nanoéchelles, nous avons montré que l’effet anti-buée est peu influencé par la taille des textures, et que ses limites proviennent plutôt des propriétés de l’eau elle-même, sa viscosité en particulier. Aux microéchelles, nous avons décrit des situations nouvelles où l'on observe l'éjection spontanée de la buée, malgré un piégeage local de l’eau. Nous avons ensuite étudié la trajectoire des gouttes de buée éjectées et confirmé que la viscosité joue un rôle majeur dans leur balistique. Enfin, nous nous sommes intéressés à la capacité des surfaces superhydrophobes à repousser des gouttes d’eau chaude, montrant l’existence de deux recettes distinctes pour parvenir à un tel effet. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons abordé le problème du pouvoir de capture de poussière de fibres mouillées d’huile. Nous avons montré que la quantité de particules capturées est seulement influencée par la quantité d’huile déposée sur la fibre et non par la configuration adoptée par l’huile (film ou goutte), contrairement à la dynamique de croissance de l’agrégat, au cours de laquelle, de larges différences apparaissent entre les deux configurations. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l’équation de Slutsky, communément rencontrée dans le domaine de la micro-économie. Nous avons décrit comment la matrice de Slutsky est modifiée en présence d’hypothèses non rencontrées en économie classique telles que l’irrationalité, l’interaction entre produits ou l’hétérogénéité des agents; et comment celles-ci font apparaître des résultats surprenants non prédits par la théorie classique du consommateur. Les trois parties peuvent être abordées de manière indépendante
Fog or hot water can destroy the superhydrophobic properties of a textured surface owing to the condensation inside the texture. However, it was recently shown that such surfaces covered with cones at a scale of hundred nanometers could resist fog: condensed droplets can be ejected during their coalescence. We first experimentally show by electronic microscopy that a conical texture enables water drops to remain in a “fakir state”, even at a very small scale. We then studied different families of cone-textured surfaces by varying the spacing and the texture height. At the nanoscale, we showed that the texture size has a low influence on the antifogging efficiency whose limits rather lie in the water properties themselves, especially its viscosity. At the microscale, we described new situations where spontaneous ejection of condensed drops occurs despite a local trapping of water. We also studied the trajectory of expelled drops on such surfaces and confirmed that viscous effects play a major role in their ballistics. Finally, we focused on the ability of superhydropho- bic surfaces to repel hot water, a challenging situation for which we identified two independent recipes. In the second part of the thesis, we studied the ability of wetted fibers to capture dust. We showed that the quantities of captured particles is only influenced by the quantity of oil deposited on the fiber and not by its configuration (film or drop) on the fiber, unlike the growth kinetics of the aggregate where large differences are observed between the two configurations. The last part of the thesis focused on the Slutsky equation, a classical equation encountered in microeconomics. We described how the Slutsky matrix is modified when challenging classical economics hypotheses such as irrationality, interactions between goods or agents’ heterogeneity, and how it exhibits surprising features not predicted by consumer choice theory. The three parts can be addressed independently

L'objectif de la thèse est d'analyser le comportement mécanique de matériaux granulaires composites bidimensionels en terme de textures granulaires en utilisant deux approches : étude expérimentale par "thermoelastic stress analysis" et étude numérique par dynamique moléculaire. Les systèmes granulaires composites sont préparés à l'aide de cylindres en polyoxyméthylène (POM) et polyéthylène haute densité (PEHD), présentant un rapport de rigidité de 4 entre eux. Différents rapports de diamètres et de nombres de particules sont considérés. Les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord à l'échelle macroscopique. En particulier, le réseau fort (qui est ici caractérisé par des contraintes hydrostatiques supérieures à la valeur moyenne) contient moins de 50% des particules, et présente une distribution décroissance exponentielle quel que soit le type de particules considéré pour l'analyse (particules souples, particules rigides, toutes les particules). De plus, la distribution des contacts entre particules rigides (contacts POM-POM) est anisotrope et tend à s'organiser dans le sens de la direction du chargement extérieur appliqué, tandis que les autres types de contact agissent principalement pour maintenir le système en équilibre
The main objective of our dissertation is to analyze the mechanical behavior of two-dimensional composite granular materials through the granular textures. Thermoelatic stress analysis experiments and molecular dynamics simulations are used for this purpose. The composite granular systems are prepared from polyoxymethylene (POM) and high-density polyethylene (HDPE) cylinders with a stiffness ratio of about 4 between them. Different configurations in terms of ratios of diameter size and ratio of particle numbers are systematically investigated. Experimental and numerical results are good correlated at the macroscopic scale. In particular the strong network, which is here characterized by hydrostatic stresses higher than the mean value, consists of less than 50% of all particles, and exhibits an exponential decay whatever the type of particles considered for the analysis (soft, stiff, or both types). In addition, the contact distributions between stiff particles (POM-POM contacts) is anisotropic with an effort to arrange parallel to the direction of the external applied load, whereas the other types of contacts just act to sustain the granular system in equilibrium

L’affinement de la microstructure par l’application de déformations intenses (>> 1) permet une amélioration de certaines propriétés mécaniques d’un matériau, notamment une augmentation de la limite d’élasticité à travers la loi de Hall et Petch, tout en évitant des ajouts importants d’éléments d’alliage. La maîtrise de la production d’aciers à grains ultrafins (1 à 2 μm) conduirait donc à des allègements de structures tout en assurant un recyclage aisé. Dans ce travail, l’affinement de la microstructure par torsion et par compression multiaxiale a été étudié dans deux alliages modèles, Fe-C et Fe-Nb. Des analyses par EBSD montrent que l’affinement a lieu par la fragmentation de la microstructure initiale impliquant des processus microstructuraux et texturaux associés à la recristallisation dynamique continue (RDC). Le meilleur affinement a lieu à une température intermédiaire qui se situe entre des températures qui correspondent à la déformation « à froid » et « à tiède » du matériau ; sa position exacte varie selon la composition chimique et elle est plus élevée dans le Fe-Nb que dans le Fe-C. La torsion s’avère plus efficace que la compression multiaxiale car elle permet de générer une plus grande proportion de parois de forte désorientation et une taille de microstructure plus fine pour la même déformation totale appliquée. Toutefois, le développement d’une texture composée majoritairement d’une seule orientation D2 (1 12)[111] au régime stationnaire en torsion (cisaillement négatif) va à l’encontre de l’affinement car cela entraîne la coalescence de sous-grains voisins qui sont les produits de la fragmentation aux premiers stades de la déformation. Un modèle de textures incorporant la croissance sélective des grains provoquée par des gradients de taux d’écrouissage entre grains d’orientations diverses montre que la formation de l’orientation D2 est fortement liée à la migration des joints de grains. L’addition d’une petite quantité (500 ppm massique) de niobium, qui est réputé pour freiner les joints de grains par un effet de traînage des solutés, permet de ralentir la formation d’une telle texture et donc d’assurer la persistance d’une taille de microstructure ultrafine
L’affinement de la microstructure par l’application de déformations intenses (>> 1) permet une amélioration de certaines propriétés mécaniques d’un matériau, notamment une augmentation de la limite d’élasticité à travers la loi de Hall et Petch, tout en évitant des ajouts importants d’éléments d’alliage. La maîtrise de la production d’aciers à grains ultrafins (1 à 2 μm) conduirait donc à des allègements de structures tout en assurant un recyclage aisé. Dans ce travail, l’affinement de la microstructure par torsion et par compression multiaxiale a été étudié dans deux alliages modèles, Fe-C et Fe-Nb. Des analyses par EBSD montrent que l’affinement a lieu par la fragmentation de la microstructure initiale impliquant des processus microstructuraux et texturaux associés à la recristallisation dynamique continue (RDC). Le meilleur affinement a lieu à une température intermédiaire qui se situe entre des températures qui correspondent à la déformation « à froid » et « à tiède » du matériau ; sa position exacte varie selon la composition chimique et elle est plus élevée dans le Fe-Nb que dans le Fe-C. La torsion s’avère plus efficace que la compression multiaxiale car elle permet de générer une plus grande proportion de parois de forte désorientation et une taille de microstructure plus fine pour la même déformation totale appliquée. Toutefois, le développement d’une texture composée majoritairement d’une seule orientation D2 (1 12)[111] au régime stationnaire en torsion (cisaillement négatif) va à l’encontre de l’affinement car cela entraîne la coalescence de sous-grains voisins qui sont les produits de la fragmentation aux premiers stades de la déformation. Un modèle de textures incorporant la croissance sélective des grains provoquée par des gradients de taux d’écrouissage entre grains d’orientations diverses montre que la formation de l’orientation D2 est fortement liée à la migration des joints de grains. L’addition d’une petite quantité (500 ppm massique) de niobium, qui est réputé pour freiner les joints de grains par un effet de traînage des solutés, permet de ralentir la formation d’une telle texture et donc d’assurer la persistance d’une taille de microstructure ultrafine

Les propriétés physiques des milieux granulaires trouvent leur origine à l'échelle locale des contacts entre les grains. Cette étude est consacrée à l'analyse de l'influence de ces contacts sur le comportement global du matériau à différentes échelles. Nous développons dans la première partie de ce mémoire, une approche continue qui s'affranchit des limitations de la théorie de Janssen et permet de calculer les contraintes dans un matériau granulaire ensilé. Cette approche permet également de représenter aussi bien qualitativement que quantitativement l'effet d'écrantage dans les silos. Dans une seconde partie, une modélisation du phénomène d'écrantage est effectuée à partir des simulations numériques discrètes réalisées avec le code MULTICOR. Nous calculons les contraintes moyennes s'exerçant au niveau des parois lors du remplissage d'un silo par un milieu granulaire polydisperse. Une bonne concordance est observée entre les résultats des simulations numériques discrètes et ceux de l'approche continue développée dans la première partie. Une autre conséquence de l'existence de contacts privilégiés entre les grains est l'anisotropie caractéristique des matériaux granulaires. Dans la dernière partie, nous développons une approche micromécanique qui permet de modéliser cette anisotropie par l'intermédiaire d'un tenseur de texture d'ordre quatre. Nous proposons une hypothèse cinématique générale qui est incorporée dans un schéma d'homogénéisation des milieux granulaires anisotropes et comparée, dans le cas isotrope, à des simulations numériques discrètes existant dans la littérature. Les tendances qualitatives et quantitatives des résultats sont tout à fait satisfaisantes.