Emplois

Thèse : Etude de la pression de cristallisation par simulation moléculaire et expériences micro-fluidiques

CDD - 3 ans
La cristallisation de sel dans les milieux poreux est une cause majeure de dégradation du patrimoine, des matériaux de construction, et des géo-matériaux. La pression de cristallisation à l’origine de ces désordres reste pourtant très mal comprise et ce projet vise à établir une compréhension fine de ce phénomène essentielle pour faire émerger des méthodes de prévention ou d’atténuation. Cette thèse vise à étudier ce phénomène aux petites échelles en mêlant expérimentations micro-fluidiques et simulations moléculaires. Voir le descriptif pour plus de détails.

Etude du risque d’instabilité du front de taille lors de la traversée d’une zone de faille.

Stage M2 - 4 mois
Dans le cadre de la future liaison Lyon-Turin, une descenderie et une galerie de reconnaissance sont excavées par la méthode conventionnelle à Saint-Martin-la-Porte en France. Une formation d’Houiller très fracturée, hétérogène et fortement tectonisée a été traversée lors de cette excavation. Dans cette zone, un comportement poussant du massif hôte a été observé et a conduit à une instabilité du front de taille ainsi que du système de soutènement.
Le but du stage est d'étudier le risque d'instabilité du front de taille lors de la traversée de zones de faille. Cette étude sera basée sur des données issues d’auscultations du creusement de la galerie de reconnaissance du projet de liaison Lyon-Turin.
Ce travail sera divisé en trois étapes :
(1) Une étude bibliographique sur l’instabilité du front de taille lors de traversée des zones de faille, avec identification des outils et méthodes de suivi.
(2) Une analyse directe de données de terrain. Pour se faire des données issues des levés du front, des extrusomètres (mesures de déplacement du front de taille) et des mesures de convergence au voisinage du front seront analysées et exploitées.
(3) En complément de l’analyse des données, et dans la continuité des travaux précédents, une modélisation numérique de l’avancement du front de taille sera effectuée à l’aide du logiciel Flac 3D.
Des travaux précédents ont montré que l'analyse directe des mesures de convergence, avec une loi semi-empirique de convergence permet des prédictions précises à long terme des déformations du terrain (Sulem et al. 1987, Liu et al. 2019). Une comparaison de ces modèles avec les résultats du modèle numérique est prévue.

Etude du phénomène de gonflement des anhydrites lors de l’excavation de tunnels.

Stage M2 - 5 mois
Dans le cadre de la future liaison Lyon-Turin, une descenderie et une galerie de reconnaissance sont excavées par la méthode conventionnelle à Saint-Martin-la-Porte en France. Une seconde descenderie, Partie 3a (P3a) qui démarre au PM 500 de la descenderie existante de Saint Martin La Porte, a été décidée pour les reconnaissances géologiques et hydrogéologiques mais aussi pour atteindre la côte du tunnel de base (tube sud) dans une géologie favorable, en aval du contact lithostratigrafique et tectonique entre la Zone Sub-briançonnaise et la Zone Briançonnaise Houillère (Front Houiller). La longueur de cette descenderie P3a est d’environ 1808 m.
Les données prévisionnelles envisageaient le creusement de la descenderie P3a principalement dans des calcaires mais la descenderie a traversé des anhydrites. La traversée de ces anhydrites, associée à une circulation d’eau dans le massif a engendré des phénomènes de gonflement des radiers nécessitant des reprises à faire pour assurer le gabarit, soit 325 m de reprise.
Le but du stage est d'étudier le phénomène de gonflement des anhydrites, afin d’analyser les déformations de l’ouvrage à court et long termes dues au comportement des terrains. Cette étude sera basée sur des données issues d’auscultations du creusement de la descenderie P3a. Ce travail sera divisé en trois étapes :

(1) Une étude bibliographique sur le phénomène de gonflement des anhydrites, avec l’identification des outils et méthodes de suivi du phénomène (in-situ et au laboratoire).
(2) Une analyse directe de données de terrain. Pour ce faire, des données issues des levés de front, du suivi du soulèvement des radiers (avant et après la reprise) et des mesures de convergence au voisinage des zones impactées seront analysées et exploitées.
(3) En complément de l’analyse des données une caractérisation du comportement des anhydrites sera faite au laboratoire. Notamment, des essais œdométriques sur des échantillons issus du chantier sont envisagés.

Analyse microstructurale des empilements granulaires biosourcés pour une modélisation multiphysique consolidée

Thèses - 3 ans
Les matériaux de construction biosourcés présentent de multiples atouts, comme leur disponibilité à l’échelle locale et leurs performances fonctionnelles sur les plans mécanique, acoustique et hygrothermique. La nouvelle Règlementation Environnementale RE2020 impose la prise en compte de l’impact “pouvoir de réchauffement climatique” sur l’ensemble du cycle de vie des bâtiments. Dans ce cadre, les matériaux biosourcés, qui séquestrent du CO2, ont un vrai rôle à jouer. Les produits biosourcés fabriqués à partir de particules végétales constituent ainsi des solutions à grand potentiel pour l’isolation des bâtiments. La maitrise de leurs performances fonctionnelles pose toutefois encore aujourd’hui un certain nombre de questions directement liées à leur microstructure, caractérisée par une importante porosité répartie sur plusieurs échelles.

Pour répondre à cette problématique et pour analyser l’effet des procédés de mise en œuvre sur les propriétés des matériaux biosourcés, des caractérisations préliminaires ont été réalisées en microtomographie à rayons X, au laboratoire Navier, puis au Synchrotron Soleil (Septembre 2021). Les essais ont porté sur des empilements granulaires constitués de trois types de granulats végétaux très différents : moelle de tournesol, chènevotte de chanvre et roseau broyé ; caractérisés in situ à différentes phases de compaction, à l’état sec ou humide.

Cette thèse s’inscrit dans la poursuite de ces recherches, et aura comme objectif principal de faire le lien entre la microstructure reconstruite grâce aux images synchrotron, et les performances multiphysiques des empilements granulaires biosourcés. Ces travaux déboucheront sur une modélisation fine du comportement multiphysique des empilements granulaires biosourcés et donneront lieu à des applications d’optimisation des performances des produits biosourcés dérivés pour le bâtiment.

Rhéologie des poudres de polyamides pour le frittage sélectif par laser

Stage - 6 mois
L’objectif du stage proposé est d’étudier la rhéologie des poudres de polyamides. Nous chercherons à déterminer le comportement mécanique, dans le régime solide et en écoulement de telles poudres à partir d’essais de cisaillement dans une cellule de type Jenike. Nous nous demandons si le comportement peut être assimilé à un écoulement frictionnel à seuil manifestant de la cohésion ? Si tel est cas, quelle serait l’évolution des coefficients de friction et de la cohésion avec la température et/ou l’humidité relative du milieu ?

Experimental and numerical investigation of environmental factors affecting grain crushing

Thèses - 3 ans
Joint PhD position at UCLouvain and Ecole des Ponts in Geomechanics

Grain breakage is a common occurrence in granular media when the intergranular forces exceed the individual particle strength and is of major importance in many areas of geosciences. Experimental evidences suggest that particle breakage may significantly influence the mechanical behavior of the material promoting strain localization and favoring chemical interaction between reactive fluids and minerals. These effects are of major importance in geotechnical engineering for the design of geotechnical structures such as deep foundations or embankments, but also in geology for the understanding of fault mechanics and the propagation of landslides.

The objective of this PhD will be to understand and characterize the effect of environmental conditions like degree of saturation, stress-path, ambient temperature and chemical environment on the mechanism of grain crushing. To achieve this goal, the project proposes a multidisciplinary integrated research strategy that combines experiments using a state-of-theart high pressure and high temperature triaxial device at Ecole des Ponts ParisTech, together with numerical modelling using an open-source parallel Finite Element framework specifically designed to study different geomechanical problems involving multi-physical couplings.

Impression 3D de géopolymères à faible impact environnemental

Thèses - 3 ans
La filière de la construction est confrontée à un impératif de productivité et de réduction de son impact environnemental sans précédent. Pour y parvenir il y a urgence à développer des alternatives aux matériaux existants et de structurer la filière de la construction autour du numérique, de la maquette numérique aux outils de production automatisés et robotisés.
En effet dans un contexte mondial et local d’épuisement des ressources, l’utilisation de nouveaux process (fabrication additive par exemple) et de nouveaux matériaux moins impactant, plus locaux, et en tout premier lieu ceux issus du sous-sol, est vu comme un chemin devant impérativement être suivi. Les géopolymères obtenus par la polycondensation en milieu alcalin, par exemple de chaines de metakaolin (argiles), sont très tolérant à l’addition de forts taux charges, charges pouvant être des granulats mais également des argiles brutes. Les laboratoires partenaires ont démarré des travaux sur ces matériaux et le sujet s’inscrit donc dans la volonté de pousser l’effort plus loin. En particulier en intégrant intimement la dimension constructive dans la réflexion matériau, process et application, il semble possible d’explorer de nouvelles solutions globales efficientes et soutenables.
Le sujet se concentrera sur les possibilités qu’offrent l’impression 3D de géopolymères à faibles impacts environnementaux pour la construction. Une démarche ACV globale intégrant matériau et process, accompagnera les réflexions et orientera les travaux. Le doctorant devra formuler des géopolymères de type mortiers maigres à base de charges issus de “ressources locales” et de l’économie circulaire. L’optimisation de la formulation sera basée sur des plans d’expériences et des algorithmes d’optimisation.
L’imprimabilité de tels mortiers sera ensuite étudiée et les adaptations des formulations réalisées. Un prototype/démonstrateur de système constructif devra valider la solution d’impression.

Experimental and numerical study on the hydromechanical-gas behaviour of clay materials

Thèses - 3 ans
Clay materials have been considered as potential candidate for closure structures in high-level radioactive waste repositories. In spite of several studies investigating its hydro-mechanical behaviour, the kinetics of the re-saturation process and the development of swelling pressure of clay materials, observed in the large-scale experiments during long periods (e.g. several years), can still not be accurately predicted by the existing numerical models. Besides, its behaviour under the development of gas pressure, induced by corrosion of ferrous materials under anoxic conditions, is still not well understood.

This project aims at investigating the hydromechanical behaviour of clay materials under re-saturation following injection of gas at high pressure. Advanced laboratory experiments (using X-ray microtomography and magnetic resonance imaging) will be first used to observe these processes at various scales. The experimental results will be then used to develop and validate numerical models to predict the behaviour of clay materials at the field structure scale.

Etude d’amortisseurs non linéaires à frottement pour la protection vibratoire des ouvrages de génie civil

Thèses - 3 ans
L’amortissement de vibrations, qu’elles soient dues aux sollicitations en service (vent, trafic) ou à des sollicitations exceptionnelles (séisme), est un thème majeur en génie civil. La conception d’amortisseurs performants répond à l’objectif de préserver les infrastructures de manière durable et de les protéger des risques naturels en particulier dans le contexte du changement climatique. Les amortisseurs à masse accordée (Tuned Mass Damper, abrégé en TMD, en anglais) font partie des solutions les plus étudiées. Ces systèmes sont habituellement linéaires (amortissement visqueux) et leur efficacité est de fait limitée à une faible plage de fréquences d’excitation. L’utilisation de ce type de dispositif nécessite donc un réglage précis, ce qui dans certains cas s’avère difficile à garantir. Pour les TMD à base de fluide visqueux se pose également la question de l’étanchéité à long terme. Par ailleurs, les TMD linéaires sont habituellement conçus pour des excitations de faible amplitude.
Les amortisseurs de type nonlinéaire pallient à certains de ces inconvénients : ils sont efficaces sur une plage de fréquences relativement large et adaptés aux excitations de grande amplitude. L’utilisation de câbles métalliques en flexion est une des solutions les plus simples et robustes pour réaliser un amortisseur non linéaire. Le mécanisme dissipatif mis en jeu est lié au frottement entre les brins constitutifs du câble. Il s’agit d’un phénomène par nature nonlinéaire et hystérétique. De tels systèmes se retrouvent dans différentes applications du génie civil, comme par exemple les amortisseurs Stockbridge notamment utilisés sur les lignes électriques à haute tension. La thèse de A. Trad [3] suggère également que le frottement au sein des câbles métalliques contribue de façon significative à la dissipation totale d’énergie dans les filets pare-blocs.
Pour autant, le dimensionnement de tels amortisseurs non-linéaires pose certaines difficultés. Le modèle de Bouc-Wen est le plus couramment utilisé [1]. De nature phénoménologique, ce modèle a l’avantage d’être relativement simple mais une étude récente [2] a montré qu’il ne permettait pas de reproduire fidèlement les courbes d’hystérésis expérimentales, ce qui rend hasardeuse l’identification des paramètres du modèle.
L’objectif principal de la thèse proposée est de mettre en place un modèle (plus adapté que le modèle de Bouc-Wen) pour décrire le comportement hystérétique des amortisseurs à base de câbles en flexion, en se basant sur la compréhension physique des mécanismes mis en jeu. Le formalisme de l’élasto-plasticité avec variables internes est une piste possible. Un enjeu important consiste à s’assurer que le modèle reste suffisamment simple (nombre réduit de degrés de libertés) pour demeurer facilement exploitable dans une démarche de dimensionnement. L’intégration du modèle de matériau au sein de CESAR fait également partie des objectifs.
Outre l’aspect modélisation (théorique et numérique), la thèse proposée s’appuiera sur un travail expérimental mené à COSYS pour guider l’élaboration du modèle, en identifier les paramètres constitutifs et les limites de validité. Afin d’orienter le travail vers des applications à grande échelle, le comité de suivi comporterait des représentants du CEREMA (intéressé par les amortisseurs Stockbridge) et des industriels impliqués dans la fabrication de filets pare-blocs (projet national C2ROP).

Conception, optimisation mécanique et fabrication numérique de poutres en béton armé

Thèses - 3 ans
Thèse Cifre Vinci-ISC/Ecole des Ponts ParisTech

La construction en béton armé est parfois comparée à de l’artisanat au sens où de nombreuses tâches restent essentiellement manuelles. Les activités de chantier, lourdes et chronophages ont un impact direct sur la conception des éléments, le surdimensionnement et le risque d’erreur de fabrication. Il est clair que le béton armé restera cependant d’usage dans les années à venir. Minimiser l’impact environnemental des structures construites avec ce matériau, revient à minimiser les quantités, à optimiser son usage mais certainement aussi à avoir une vision plus ambitieuse, prendre en compte la réversibilité de nos actions, par exemple la démontabilité et la réutilisation possible.
Plusieurs travaux vont dans ce sens dans le laboratoire Navier et en relation avec la plateforme de construction digitale Build’In de l’Ecole des Ponts cofinancée par la région Ile de France. Car de tels enjeux sont liés au développement du numérique dans la construction.
Le travail de thèse consiste à :
-Continuer à réfléchir avec cette vision digitale à ce que pourrait être la préfabrication paramétrique dans la construction en béton armé. De nouvelles techniques, la robotique et des développement logiciels doivent être en mesure de proposer de vrais progrès, pour le renforcement et les ferraillages, assemblages, manipulation, mass-customisation, traçage et contrôle qualité, ayant un impact fort sur la performance, le bilan environnemental et même sur l’organisation du travail. Ce premier brainstorming (6mois) dégagera les priorités qui seront développées durant la thèse. On pourrait s’intéresser par exemple en particulier au développement d’un ferraillage repensé et assisté robotiquement pour sa mise en forme et son positionnement. Un brevet ENPC/VINCI a été déposé dans ce sens cette année. Ou encore d’un concept d’assemblage poteau-poutre simple technologiquement mais lié aux développements théoriques de Navier, efficace mécaniquement et avec une mise en œuvre compatible avec le chantier. De nouveaux matériaux tels que les géopolymères pourraient également être testés s’ils s’imposent pour cette digitalisation massive. Un équipement spécifique est en cours d’acquisition par l’Ecole.

- En parallèle il s’agit également de poursuivre les développements concernant les méthodes d’optimisation mécanique originales (thèse de Leila Rostom) car basées sur le comportement à l’état ultime et pas à l’état de service. La plupart des optimisations dite topologiques optimisent la raideur qui n’est pas le paramètre le plus important pour le GC. Ici, grâce à des approches utilisant Analyse limite et Calcul à la rupture, c’est bien via la modélisation des mécanismes de ruine et la capacité portante, que l’on souhaite optimiser. La prise en compte de deux matériaux, acier/béton, et du comportement différent en traction et compression du béton, rend de plus les problèmes non-linéaires.

Mesure des propriétés mécaniques et environnementales de géopolymères fortement chargés

Stage M2
Ce sujet est proposé dans le contexte de travaux de recherche au sein de l’Ecole et du laboratoire Navier autour de la fabrication numérique et de la construction durable. Dans un contexte mondial et local d’épuisement des ressources, l’utilisation de nouveaux process (fabrication additive par exemple) et de nouveaux matériaux moins impactant, plus locaux, et en tout premier lieu ceux issus du sous-sol, est vu comme un chemin devant impérativement être suivi. Les géopolymères obtenus par exemple par la polycondensation en milieu alcalin, de chaines de Metakaolin, sont de bons candidats. Le laboratoire a démarré des travaux sur ces matériaux (une thèse soutenue, projets industriels en cours) et le sujet s'inscrit dans les expérimentations en cours, et sur des matériaux fortement chargés. L'aspect concernant la mesure de l’impact environnemental (Analyse de Cycle de Vie) sera également particulièrement regardé.

Modélisation numérique du comportement des matériaux cimentaires depuis le jeune-âge jusqu’à l’état durci : application au contrôle de l’impression 3D du béton

Thèses - 3 ans
L’impression 3D béton et la construction robotisée sont actuellement en plein développement et le laboratoire Navier en s’appuyant sur la plateforme technologique Build’In de l’Ecole des Ponts, a démarré de nombreuses recherches sur cette thématique, concernant les matériaux d’impression, les stratégies constructives adaptées et le process en lui-même. L’optimisation de ce procédé de construction en temps réel, ainsi que l’analyse de la sureté et les performances des structures fabriquées à l’aide de cette technique reste un enjeu majeur et un sujet très actuel de recherche. Ceci nécessite une boucle numérique efficace, fiable, et prédictive, intégrant simulation numérique et métrologie afin de permettre la maîtrise du comportement du matériau lors de son pompage, de son extrusion et sa mise en forme en couches successives, soumis alors aux contraintes de gravité et aux conditions environnementales. Le présent travail s’intéresse à la modélisation de cette dernière étape

Expérimentations échelle:1 et simulations du concept d’impression 3D fibres longues Flow-Based Pultrusion

Thèses - 3 ans
Le laboratoire Navier développe des recherches sur l’impression 3D béton. Le sujet proposé ici se concentre sur l’impression 3D de béton à fibres longues qui est une innovation Navier. On qualifie ces bétons d'anisotropes pour les différencier des bétons fibrés traditionnels, pouvant être considérés comme isotropes car obtenus par malaxage. L’impression 3D et les robots permettent de produire des bétons avec un taux de fibre bien plus important que dans les bétons fibrés actuels et l’objectif est ici d’obtenir des bétons structurels dont la résistance et la raideur sont fortement impactées par le fibrage. Des aspects modélisations et expérimentations état frais et durcis restent à réaliser et font l'objet du travail de thèse proposé.

Modélisation environnementale et caractérisation physique des matériaux et des éléments de structures de la déconstruction en vue de leur recyclage dans une économie circulaire

Thèses - 3 ans
L’objet de la thèse proposée est d’étudier l’intérêt et la faisabilité de réutiliser des matériaux ou éléments de structures issus de la démolition de bâtiments ou d’ouvrages d’art dans des constructions neuves.

Ce sujet sera abordé parallèlement sur deux aspects :
- la caractérisation des propriétés physiques de matériaux et d’éléments de structure issus de chantiers de déconstruction pour évaluer leur performance résiduelle ;
- l’analyse de cycle de vie de leur réutilisation potentielle, afin de définir des indicateurs de potentiels de réemploi et de recyclabilité.

Matériaux de Pickering pour le génie civil

Thèses - 3 ans
L'objectif de cette thèse expérimentale est d'étudier les propriétés rhéologiques et la stabilité de mousses de Pickering pour lesquels des particules solides biosourcées et plus respectueuses de l’environnement remplacent les agents tensioactifs, issus de l’industrie pétrochimique. De tels systèmes permettent de créer des matériaux très poreux et très légers qui possèdent entre autres d’intéressantes propriétés d’isolation thermique, ce qui pourrait permettre leur utilisation dans le domaine de la construction et de l’habitat.

Comportement quasi-statique de poudres cohésives : expériences et simulations numériques.

Thèses - 3 ans
Les matériaux constitués de grains solides interagissant par des contacts adhésifs se rencontrent dans différents domaines d’application (dont le génie civil, les industries agro-alimentaires et pharmaceutiques). On propose d’en étudier les propriétés à partir d’un modèle générique de poudre, assemblage de grains sphériques dont les contacts peuvent transmettre une traction, dont il sera possible de relier les comportements macroscopiques à leurs origines micromécaniques, à l’échelle des grains et des contacts. De tels systèmes ont été étudiés expérimentalement et par la simulation numérique de type « éléments discrets » (DEM) sous deux aspects : la compression isotrope ou œdométrique, avec l’effondrement des structures initialement lâches ; et le cisaillement maintenu (l’ « état critique » au sens de la géomécanique, ou les écoulements inertiels). Entre ces deux situations extrêmes, l’évolution quasi-statique, telle qu’étudiée en mécanique des sols, du matériau granulaire cohésif, avec sa grande variété de microstructures possibles, du fait de la stabilisation de structureslâches, reste peu connue.

Mise en place d’une procédure de mesure de coefficient de diffusion translationnelle en phase liquide par RMN bas champ.

Stage M1 - 3 mois
Ce stage de trois mois consiste donc à réaliser des premières mesures de coefficient de diffusion translationnelle sur des échantillons connus de différentes viscosités dans des conditions contrôlées grâce à une procédure standard et automatisée déjà en place. L’objectif est de pouvoir mieux appréhender divers aspects de cette méthode comme la reproductibilité, les incertitudes de mesure, la sensibilité aux conditions expérimentales (température, quantité de matière, viscosité…) ou aux paramètres de la séquence standard mis en jeu pour cette mesure, ou encore l’influence des paramètres de la séquence sur le temps de la mesure. Grâce au travail fourni par le ou la stagiaire, la plate-forme IRM/RMN du laboratoire Navier pourra ensuite proposer non seulement des mesures de coefficient de diffusion translationnelle mais aussi un cadre scientifique plus rigoureux fondé sur des données de terrain ainsi qu’une utilisation de cette séquence facilitée par une fiche technique, réalisée par le ou la stagiaire, adaptée aux besoins du laboratoire.

Rheology and Microstructure of unsaturated wet granular materials

Thèses - 3 ans
This project addresses the rheology of unsaturated granular materials, in a generic framework, using model materials. These model systems will first be slightly polydisperse assemblies of macroscopic spherical grains (with diameters between 0.1 and 1 mm), mixed with (mostly) non-volatile, wetting, Newtonian liquids. In a second step, we will study complex shaped grains, a wider polydispersity of grains, and non-Newtonian liquids.
Thus, within a multi-scale approach, our goal is to establish the fundamentals of the capillary and/or viscous phenomena involved in these materials. Our project is structured around three components objectives of which is to:

• define the different rheological regimes in the parameter space.
• set up an experimental methodology allowing for the detailed characterisation of the microstructure of such materials in the various regimes previously established. To do so, a rheometer inserted into the X-ray microtomography setup available at laboratoire Navier and specific image processing tools will be developped.
• apply constitutive laws of such materials therefore described and predicted to progressively more complex configurations such as inclined plane flows. The experimental results will be confronted with predictions from continuous numerical simulations integrating the previously identified rheology.