Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Écoulements granulaires humides insaturés : Microtomographie aux rayons X in situ pour l’étude de la dynamique des ponts liquides sous cisaillement

Laboratoire principal - Référent principal Navier  -  FALL Abdoulaye      tél. : +33 181668475

Directeur du laboratoire principal SULEM Jean  -

Spécialité de la thèse Physique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu FALL Abdoulaye  -  Université Gustave Eiffel  -  Navier

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Les matériaux granulaires humides, composés de grains solides entrecoupés de ponts liquides ou de clusters, jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus naturels et industriels, notamment en mécanique des sols, en pharmaceutique et dans l’agroalimentaire. Ces matériaux présentent un comportement mécanique unique, dicté par l’interaction entre les grains solides et les phases liquides, en particulier dans le régime insaturé où les forces capillaires prédominent.

Un défi majeur pour comprendre ces systèmes réside dans la caractérisation précise de la formation et de la rupture des ponts liquides, qui influencent de manière significative les propriétés rhéologiques des matériaux soumis à des déformations.

Les récents progrès en microtomographie aux rayons X développés par notre groupe, combinés à des techniques d’analyse d’images et d’apprentissage automatique, ont ouvert de nouvelles perspectives pour l’imagerie 3D haute résolution des écoulements granulaires humides. Cependant, la dynamique des morphologies liquides et leur évolution sous cisaillement restent insuffisamment comprises, notamment en ce qui concerne les transitions entre différents types de ponts liquides et les facteurs qui régissent leur stabilité et leur rupture.

Ce projet vise à combler cette lacune en étudiant la dynamique de formation et de rupture des ponts liquides dans les matériaux granulaires humides à l’aide de la microtomographie rapide aux rayons X. En analysant l’évolution des morphologies liquides sous contrainte de cisaillement, cette recherche apportera des éclairages sur les changements microstructuraux qui régissent le comportement d’écoulement macroscopique.
Objectifs de la thèse
L'objectif principal de ce projet de thèse est d'étudier le comportement dynamique des ponts liquides et d'autres morphologies liquides dans les écoulements granulaires humides insaturés. Les objectifs spécifiques incluent :

1. Développement de techniques expérimentales in situ : Créer une cellule de cisaillement/compression sur mesure compatible avec la microtomographie aux rayons X rapide, capable d'appliquer une contrainte mécanique contrôlée aux échantillons granulaires tout en réalisant des imageries in situ.
2. Caractérisation des morphologies liquides : Identifier et classer différents types de ponts liquides et de morphologies dans les systèmes granulaires insaturés, et analyser leurs propriétés géométriques et topologiques sous diverses déformations de cisaillement.
3. Quantification des mécanismes de formation et de rupture : Étudier la dynamique de formation, de stabilité et de rupture des ponts liquides à l'aide de la microtomographie rapide aux rayons X pendant la déformation induite par cisaillement. Analyser comment les forces capillaires et l'agencement des particules contribuent à la création et à la destruction des ponts liquides. Cette étude inclura l'impact de paramètres tels que le taux de cisaillement, la teneur en liquide et la taille des particules solides.
4. Effet du cisaillement sur la distribution des liquides : Explorer l'influence de la contrainte de cisaillement sur la distribution spatiale et l'évolution des morphologies liquides au fil du temps, en identifiant les zones de regroupement, de dilatation et de compaction des phases liquides.
5. Influence de la taille des voxels et de la résolution de l'image : Évaluer l'impact de la taille des voxels et de la résolution de l'image sur la précision de la segmentation et de la quantification des ponts liquides. Aborder les défis posés par la taille finie des voxels dans la capture précise des morphologies à petite échelle.
6. Impact des morphologies liquides sur les propriétés mécaniques : Relier les observations dynamiques des morphologies liquides à la réponse macroscopique du matériau granulaire (par exemple, résistance au cisaillement, dilatation) pour mieux comprendre comment les microstructures influencent les propriétés globales du matériau.

Méthodologie

1. Expérimentation in situ : Développer un dispositif expérimental permettant d'appliquer des contraintes contrôlées de cisaillement et de compression aux échantillons granulaires tout en réalisant une microtomographie aux rayons X en temps réel. L'élément clé sera un dispositif de cisaillement fait maison pouvant être inséré dans un microtomographe aux rayons X [3, 4]. Le dispositif sera conçu pour fournir un contrôle précis de l'application des contraintes et sera utilisé pour l'imagerie aux rayons X en laboratoire ainsi que pour des expériences à la ligne de faisceau TOMCAT [7, 5].
2. Microtomographie rapide aux rayons X : Utiliser un dispositif de microtomographie aux rayons X à haute vitesse pour capturer des séquences d'images 3D lors de l'application de cisaillement sur des échantillons granulaires. Les paramètres d'acquisition, tels que la résolution temporelle et spatiale, seront optimisés pour suivre l'évolution rapide des morphologies liquides.
3. Traitement d'images et segmentation : Appliquer des techniques récentes de segmentation basées sur l'intelligence artificielle, en particulier les réseaux neuronaux U-Net, pour identifier et quantifier différentes morphologies liquides dans les images 3D.
4. Analyse statistique et géométrique : Une analyse quantitative des morphologies des ponts liquides sera réalisée, en explorant les corrélations entre les propriétés géométriques, les taux de cisaillement et l'évolution de la phase liquide.

Résultats attendus

1. Innovations méthodologiques : Développement d'une méthodologie expérimentale pour l'étude dynamique des morphologies liquides, applicable à d'autres systèmes granulaires humides.
2. Nouveaux éclairages sur la dynamique des morphologies liquides : Une compréhension plus approfondie des mécanismes derrière la formation et la rupture des ponts liquides, ainsi que l'impact de ces phénomènes sur les propriétés mécaniques des matériaux granulaires.
3. Meilleure compréhension de la mécanique des milieux granulaires humides : Des données quantitatives sur la manière dont les morphologies liquides influencent le comportement mécanique macroscopique des matériaux granulaires, menant à des modèles plus précis pour prédire le comportement des écoulements granulaires humides insaturés.
4. Simulation numérique : Les données expérimentales seront utilisées pour informer et valider des modèles numériques des écoulements granulaires humides. Des simulations par méthode des éléments discrets (DEM) [2, 6, 1], couplées à des modèles d'écoulement de fluides, seront utilisées pour simuler la réponse mécanique des matériaux granulaires humides et étudier le rôle des morphologies liquides dans la transmission des forces et les mécanismes de déformation.

Supervision et collaboration
Le projet sera supervisé par un comité scientifique composé d'experts en mécanique des matériaux, imagerie aux rayons X et traitement d'images. Des collaborations avec des laboratoires spécialisés en simulation numérique et en rhéologie des matériaux granulaires sont envisagées pour compléter l'approche expérimentale.

Contact
Abdoulaye Fall (abdoulaye.fall@univ-eiffel.fr)

References:
[1] Lhassan Amarsid, Ahmad Awdi, Abdoulaye Fall, Jean-Noël Roux, and François Chevoir. Viscous effects in sheared unsaturated wet granular materials. Journal of Rheology, 68(4):523–537, 2024.
[2] M. Badetti, A. Fall, F. Chevoir, and J.-N. Roux. Shear strength of wet granular materials: macroscopic cohesion and effective stress – discrete numerical simulations, confronted to experimental measurements. Eur. Phys. J. E, 41(5):68, 2018.
[3] M. Badetti, A. Fall, D. Hautemayou, F. Chevoir, P. Aimedieu, S. Rodts, and J.-N. Roux. Rheology and microstructure of unsaturated granular materials: Experiments and simulations. J. Rheol., 1175:1175–1186, 2018.
[4] Stephanie Deboeuf, Nicolas Lenoir, David Hautemayou, Michel Bornert, F Blanc, and Guillaume Ovarlez. Imaging non-brownian particle suspensions with x-ray tomography: Application to the microstructure of newtonian and viscoplastic suspensions. Journal of Rheology, 62(2):643–663, 2018.
[5] Hector Dejea, Maria Pierantoni, Gustavo A Orozco, E Tobias B. Wrammerfors, Stefan J Gstöhl, Christian M Schlepütz, and Hanna Isaksson. In situ loading and time-resolved synchrotron-based phase contrast tomography for the mechanical investigation of connective knee tissues: A proof-of-concept study. Advanced Science, page 2308811, 2024.
[6] Saeed Khamseh, Jean-Noël Roux, and François Chevoir. Flow of wet granular materials: A numerical study. Physical Review E, 92(2):022201, 2015.
[7] Julian Link, Bastian Strybny, Thibaut Divoux, Thomas Sowoidnich, Max Coenen, Stefan Gstöhl, Christian M Schlepütz, Marcus Zuber, Steffen Hellmann, Christiane Rößler, et al.
Mechanisms of thixotropy in cement suspensions considering influences from shear history and hydration. ce/papers, 6(6):698–704, 2023.

Mots-clefs: Matériaux granulaires humides-Ponts liquides-Microtomographie aux rayons X-Apprentissage automatique-Rhéologie

Laboratoire principal - Référent principal	Navier - FALL Abdoulaye tél. : +33 181668475
Directeur du laboratoire principal	SULEM Jean -
Spécialité de la thèse	Physique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	FALL Abdoulaye - Université Gustave Eiffel - Navier
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Les matériaux granulaires humides, composés de grains solides entrecoupés de ponts liquides ou de clusters, jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus naturels et industriels, notamment en mécanique des sols, en pharmaceutique et dans l’agroalimentaire. Ces matériaux présentent un comportement mécanique unique, dicté par l’interaction entre les grains solides et les phases liquides, en particulier dans le régime insaturé où les forces capillaires prédominent. Un défi majeur pour comprendre ces systèmes réside dans la caractérisation précise de la formation et de la rupture des ponts liquides, qui influencent de manière significative les propriétés rhéologiques des matériaux soumis à des déformations. Les récents progrès en microtomographie aux rayons X développés par notre groupe, combinés à des techniques d’analyse d’images et d’apprentissage automatique, ont ouvert de nouvelles perspectives pour l’imagerie 3D haute résolution des écoulements granulaires humides. Cependant, la dynamique des morphologies liquides et leur évolution sous cisaillement restent insuffisamment comprises, notamment en ce qui concerne les transitions entre différents types de ponts liquides et les facteurs qui régissent leur stabilité et leur rupture. Ce projet vise à combler cette lacune en étudiant la dynamique de formation et de rupture des ponts liquides dans les matériaux granulaires humides à l’aide de la microtomographie rapide aux rayons X. En analysant l’évolution des morphologies liquides sous contrainte de cisaillement, cette recherche apportera des éclairages sur les changements microstructuraux qui régissent le comportement d’écoulement macroscopique. Objectifs de la thèse L'objectif principal de ce projet de thèse est d'étudier le comportement dynamique des ponts liquides et d'autres morphologies liquides dans les écoulements granulaires humides insaturés. Les objectifs spécifiques incluent : 1. Développement de techniques expérimentales in situ : Créer une cellule de cisaillement/compression sur mesure compatible avec la microtomographie aux rayons X rapide, capable d'appliquer une contrainte mécanique contrôlée aux échantillons granulaires tout en réalisant des imageries in situ. 2. Caractérisation des morphologies liquides : Identifier et classer différents types de ponts liquides et de morphologies dans les systèmes granulaires insaturés, et analyser leurs propriétés géométriques et topologiques sous diverses déformations de cisaillement. 3. Quantification des mécanismes de formation et de rupture : Étudier la dynamique de formation, de stabilité et de rupture des ponts liquides à l'aide de la microtomographie rapide aux rayons X pendant la déformation induite par cisaillement. Analyser comment les forces capillaires et l'agencement des particules contribuent à la création et à la destruction des ponts liquides. Cette étude inclura l'impact de paramètres tels que le taux de cisaillement, la teneur en liquide et la taille des particules solides. 4. Effet du cisaillement sur la distribution des liquides : Explorer l'influence de la contrainte de cisaillement sur la distribution spatiale et l'évolution des morphologies liquides au fil du temps, en identifiant les zones de regroupement, de dilatation et de compaction des phases liquides. 5. Influence de la taille des voxels et de la résolution de l'image : Évaluer l'impact de la taille des voxels et de la résolution de l'image sur la précision de la segmentation et de la quantification des ponts liquides. Aborder les défis posés par la taille finie des voxels dans la capture précise des morphologies à petite échelle. 6. Impact des morphologies liquides sur les propriétés mécaniques : Relier les observations dynamiques des morphologies liquides à la réponse macroscopique du matériau granulaire (par exemple, résistance au cisaillement, dilatation) pour mieux comprendre comment les microstructures influencent les propriétés globales du matériau. Méthodologie 1. Expérimentation in situ : Développer un dispositif expérimental permettant d'appliquer des contraintes contrôlées de cisaillement et de compression aux échantillons granulaires tout en réalisant une microtomographie aux rayons X en temps réel. L'élément clé sera un dispositif de cisaillement fait maison pouvant être inséré dans un microtomographe aux rayons X [3, 4]. Le dispositif sera conçu pour fournir un contrôle précis de l'application des contraintes et sera utilisé pour l'imagerie aux rayons X en laboratoire ainsi que pour des expériences à la ligne de faisceau TOMCAT [7, 5]. 2. Microtomographie rapide aux rayons X : Utiliser un dispositif de microtomographie aux rayons X à haute vitesse pour capturer des séquences d'images 3D lors de l'application de cisaillement sur des échantillons granulaires. Les paramètres d'acquisition, tels que la résolution temporelle et spatiale, seront optimisés pour suivre l'évolution rapide des morphologies liquides. 3. Traitement d'images et segmentation : Appliquer des techniques récentes de segmentation basées sur l'intelligence artificielle, en particulier les réseaux neuronaux U-Net, pour identifier et quantifier différentes morphologies liquides dans les images 3D. 4. Analyse statistique et géométrique : Une analyse quantitative des morphologies des ponts liquides sera réalisée, en explorant les corrélations entre les propriétés géométriques, les taux de cisaillement et l'évolution de la phase liquide. Résultats attendus 1. Innovations méthodologiques : Développement d'une méthodologie expérimentale pour l'étude dynamique des morphologies liquides, applicable à d'autres systèmes granulaires humides. 2. Nouveaux éclairages sur la dynamique des morphologies liquides : Une compréhension plus approfondie des mécanismes derrière la formation et la rupture des ponts liquides, ainsi que l'impact de ces phénomènes sur les propriétés mécaniques des matériaux granulaires. 3. Meilleure compréhension de la mécanique des milieux granulaires humides : Des données quantitatives sur la manière dont les morphologies liquides influencent le comportement mécanique macroscopique des matériaux granulaires, menant à des modèles plus précis pour prédire le comportement des écoulements granulaires humides insaturés. 4. Simulation numérique : Les données expérimentales seront utilisées pour informer et valider des modèles numériques des écoulements granulaires humides. Des simulations par méthode des éléments discrets (DEM) [2, 6, 1], couplées à des modèles d'écoulement de fluides, seront utilisées pour simuler la réponse mécanique des matériaux granulaires humides et étudier le rôle des morphologies liquides dans la transmission des forces et les mécanismes de déformation. Supervision et collaboration Le projet sera supervisé par un comité scientifique composé d'experts en mécanique des matériaux, imagerie aux rayons X et traitement d'images. Des collaborations avec des laboratoires spécialisés en simulation numérique et en rhéologie des matériaux granulaires sont envisagées pour compléter l'approche expérimentale. Contact Abdoulaye Fall (abdoulaye.fall@univ-eiffel.fr) References: [1] Lhassan Amarsid, Ahmad Awdi, Abdoulaye Fall, Jean-Noël Roux, and François Chevoir. Viscous effects in sheared unsaturated wet granular materials. Journal of Rheology, 68(4):523–537, 2024. [2] M. Badetti, A. Fall, F. Chevoir, and J.-N. Roux. Shear strength of wet granular materials: macroscopic cohesion and effective stress – discrete numerical simulations, confronted to experimental measurements. Eur. Phys. J. E, 41(5):68, 2018. [3] M. Badetti, A. Fall, D. Hautemayou, F. Chevoir, P. Aimedieu, S. Rodts, and J.-N. Roux. Rheology and microstructure of unsaturated granular materials: Experiments and simulations. J. Rheol., 1175:1175–1186, 2018. [4] Stephanie Deboeuf, Nicolas Lenoir, David Hautemayou, Michel Bornert, F Blanc, and Guillaume Ovarlez. Imaging non-brownian particle suspensions with x-ray tomography: Application to the microstructure of newtonian and viscoplastic suspensions. Journal of Rheology, 62(2):643–663, 2018. [5] Hector Dejea, Maria Pierantoni, Gustavo A Orozco, E Tobias B. Wrammerfors, Stefan J Gstöhl, Christian M Schlepütz, and Hanna Isaksson. In situ loading and time-resolved synchrotron-based phase contrast tomography for the mechanical investigation of connective knee tissues: A proof-of-concept study. Advanced Science, page 2308811, 2024. [6] Saeed Khamseh, Jean-Noël Roux, and François Chevoir. Flow of wet granular materials: A numerical study. Physical Review E, 92(2):022201, 2015. [7] Julian Link, Bastian Strybny, Thibaut Divoux, Thomas Sowoidnich, Max Coenen, Stefan Gstöhl, Christian M Schlepütz, Marcus Zuber, Steffen Hellmann, Christiane Rößler, et al. Mechanisms of thixotropy in cement suspensions considering influences from shear history and hydration. ce/papers, 6(6):698–704, 2023.
Mots-clefs:	Matériaux granulaires humides-Ponts liquides-Microtomographie aux rayons X-Apprentissage automatique-Rhéologie

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