Search

The conventional heat transfer models are not sufficiently suitable for thermal characterization of bio-sourced thermal insulating materials due to their strongly hydrophilic nature. The proposed work in this PhD thesis aims to answer this problem with experimental and theoretical approaches of coupled heat-moisture transfers. In the experimental approach, a thermal insulating material based on Flax Fiber Felt (FFF) is developed and then characterized at different hygrometric conditions with an asymmetric hot plate device. The humidity diffusion characterization of the samples is done using the GAB, GDW and Park theoretical moisture adsorption isotherm models. In the theoretical approach, a physical model of heat and mass transfer is proposed. It is solved numerically, in transient 3D configuration, by the finite element method under COMSOL Multiphysics and, in transient 1D configuration, by the finite difference method under MATLAB. The Levenberg-Marquardt method coupled with the 1D transient direct model and the measured temperatures made it possible to estimate the apparent thermal conductivity of the studied sample with a relative error of less than 6% compared to the experimental measurements, thus validating the theoretical models.; Le caractère fortement hydrophile des isolants thermiques bio-sourcés, a montré que les modèles classiques de transfert thermique ne sont pas suffisamment adaptés pour leur caractérisation thermique. Ce travail de thèse vise à répondre à cette problématique par des approches expérimentale et théorique des transferts couplés chaleur-humidité. Dans l’approche expérimentale, un isolant thermique en feutre de fibres de lin (FFL) a été développé puis caractérisé, dans différents états hygrométriques, au moyen d’un dispositif Plan Chaud asymétrique. Des isothermes d’adsorption de l’humidité corrélés aux modèles théoriques GAB, GDW et Park permettent une caractérisation hydrique de cet isolant. Dans l’approche théorique, un modèle physique, de transfert couplé chaleur-humidité au sein de l’isolant FFL humide, est proposé. Il est résolu numériquement, en configuration 3D transitoire, par la méthode de éléments finis sous COMSOL Multiphysics et par la méthode des différences finies, en configuration 1D transitoire, sous MATLAB. La méthode de Levenberg-Marquardt couplée avec le modèle direct 1D transitoire et les températures mesurées a permis d’estimer la conductivité thermique apparente de l'échantillon étudié avec une erreur relative inférieure à 6% par rapport aux mesures expérimentales, validant ainsi les modèles théoriques.

This thesis aims to find solutions to minimize as much as possible the presence of micro-porosities in conventional and new aerospace alloys. These micro-porosities resulting especially from the reaction of the molten aluminum, during the casting phase, with the hydrogen provided by the steam contained in the refractory castables. Most of these castables are composites obtained with hydraulic binders based on aluminous cements. Firstly, a physico-chemical and mineralogical characterization of the basic materials and processed products was performed. Then, the thermo-hydric behavior of different castables and hardened cement pastes (principal source of the physical water and the chemical water) was then studied by moisture pick up tests made in various hygrothermal conditions, including at high temperatures (300 °C). It was shown that the hydric variations amplitudes strongly depend on the binder’s nature, in particular on its alumina content. The phenomena of physisorption and chemisorption are mobilized. Meanwhile, the transient thermal behavior in the time through the thickness of a refractory launder was modeled as a first step to quantify the water vapor transfer in the materials. Continuous measurements of temperature and pressure were obtained on pastes and concretes samples variously packged, placed in contact with a heated metal band maintained at 700 °C. Other measurements were made. They consisted into immersing samples (cement pastes and castables), previously stored in different hygrothermal conditions in liquid aluminum, in order to compare their reactivity in terms of release of hydrogen, oxygen and water vapor, Ces travaux de thèse visent à trouver des solutions pour minimiser autant que possible la présence de microporosités dans les alliages aéronautiques conventionnels et nouveaux. Ces microporosités résultent notamment de la réaction de l’aluminium liquide, durant la phase de coulée, avec l’hydrogène apportée par la vapeur d’eau contenue dans les réfractaires. La plupart de ces produits sont des bétons hydrauliques à matrice cimentaire alumineuse. Dans une première étape, l’identification physico-chimique et minéralogique des matériaux et des produits élaborés a été réalisée. Le comportement thermo-hydrique de différentes de bétons et de pâtes cimentaires durcies a ensuite été étudié par des essais de reprise d'humidité réalisés dans diverses conditions hygrothermiques, y compris à températures élevées (300°C). On montre ainsi que les variations hydriques dépendent fortement de la nature du liant, en particulier de sa teneur en alumine. Les phénomènes de physisorption et chimisorption sont mobilisés. Parallèlement, le comportement thermique d'une goulotte réfractaire a été modélisé, première étape pour quantifier les transferts de vapeur d’eau au sein des matériaux. Des mesures continues de température et de pression ont été obtenues sur des éprouvettes de pâtes et de bétons diversement conditionnées, placées au contact d’une frette métallique maintenue à 700°C. D’autres mesures ont été faites. Elles ont consisté à immerger des échantillons (pâtes et bétons), préalablement conservés dans différentes conditions hygrothermiques, dans l’aluminium liquide, afin de comparer leur réactivité en termes de relargage d’hydrogène, d’oxygène et de vapeur d’eau

The present experimental work intends to study by optical means the liquid-gas transition of helium confined in silica aerogels. Previous studies, based on adsorption isotherms, of helium in aerogels led to contradictory conclusions. On the one hand, a genuine phase separation on a pressure plateau below the bulk vapor pressure (Psat), involving two phases respectively heavier and lighter than the bulk gas and liquid. On the other hand, the existence of a pressure hysteresis between adsorption and desorption combined with a finite compressibility was more in accordance with a traditionnal capillary condensation phenomenon. In this case, the low value of the `liquid' density is seen as resulting from a partial filling of the sample at Psat. The aim of optical observation is to determine which mecanism occurs in the helium-aerogel system. In the present work, we describe the construction of the optical cryostat and the apparatus. The interest of such apparatus is to combine simultaneously the measurement of thermodynamics parameters, essential for the adsorption/desorption isotherms, with the confined helium's optical signal scattered at several angles. The study has been performed on two different samples. They have the same porosity but their microstructures are different. They exhibit a fractal structure from few nanometers up to their two different gel correlation lengths (20 and 50~nm). From our measurements we conclude to the existence of hysteresis between the filling and the emptying of the aerogels. This is surprisingly consistant with a capillary condensation model of porous media with cylindrical pores with a narrow diameter distribution centered on the gel correlation length. These observations can also be compared to another new and different theoretical approche where the disorder, and not its geometry, is the key factor. Both the measure of the density of helium confined and the optical observations lead to the conclusion that when the pressure reaches the bulk vapor pressure, the aerogel is homogeneously filled with helium denser than the bulk liquid. The optical signal scattered at different angles reveals the existence of scattering domains correlated over distances larger than the gel correlation length. These domains appear and grow only on the hysteresis cycles, when the compressibility is high enough. Approximating these domains as spherical, we estimate their maximum size, just before the aerogel is completly filled, between 100 and 400~nm.; La présente thèse est un travail expérimental ayant pour objet l'étude de la transition liquide-gaz de l'hélium dans les aérogels de silice par des moyens optiques. De précédentes études d'isothermes d'adsorption d'hélium dans des aérogels ont mené à des résultats contradictoires. D'un côté, l'existence d'une véritable transition de phase le long d'un plateau de pression en dessous de la pression de vapeur saturante (Psat) de l'hélium libre. Cette transition implique deux phases respectivement plus et moins dense que le gaz et le liquide massifs. De l'autre, l'observation d'hystérésis entre l'adsorption et la désorption, ainsi qu'une compressibilité finie évoquant le phénomène courant connu sous le nom de condensation capillaire. La faible densité du `liquide' est alors analysée comme un remplissage partiel de l'aérogel à Psat. Le but de l'observation optique est de discréminer entre ces deux scenarii. Ce mémoire décrit la construction d'un cryostat optique ainsi que de la chaine de mesure associée. Cette plate-forme permet de mesurer simultanément les données thermodynamiques nécessaires à la réalisation d'isothermes, et la lumière diffusée par l'hélium confiné à différents angles. L'étude concerne deux échantillons de même porosité, mais de microstructure différente. Ils présentent chacun une structure fractale s'étendant de quelques nanomètres jusqu'à leur longueur de correlation (20 et 50~nm). Nos mesures indiquent l'existence d'hystérésis entre le remplissage et la vidange. Ces cycles peuvent être analysés en terme de condensation capillaire dans un matériau poreux constitué de pores cylindriques dont les diamètres sont étroitement distribués autour de la longueur de correlation des aérogels concernés. Ces résultats peuvent également être comparés à des simulations récentes où le désordre, plus que la géomètrie, est le facteur déterminant. La mesure de la densité de l'hélium confiné et l'observation optique révèlent qu'à Psat, l'aérogel est plein d'une phase homogène et plus dense que celle de l'hélium massif. En dessous de Psat, le signal optique diffusé à différents angles indique l'existence de domaines correlés sur des distances supérieures à la longueur de correlation des gels. Ces domaines apparaissent et grossissent systématiquement le long des cycles d'hystérésis, là où la compressibilité devient grande. En supposant leur géomètrie sphérique, leur taille maximale est comprise entre 100 et 400~nm.

The present experimental work intends to study by optical means the liquid-gas transition of helium confined in silica aerogels. Previous studies, based on adsorption isotherms, of helium in aerogels led to contradictory conclusions. On the one hand, a genuine phase separation on a pressure plateau below the bulk vapor pressure (Psat), involving two phases respectively heavier and lighter than the bulk gas and liquid. On the other hand, the existence of a pressure hysteresis between adsorption and desorption combined with a finite compressibility was more in accordance with a traditionnal capillary condensation phenomenon. In this case, the low value of the `liquid' density is seen as resulting from a partial filling of the sample at Psat. The aim of optical observation is to determine which mecanism occurs in the helium-aerogel system. In the present work, we describe the construction of the optical cryostat and the apparatus. The interest of such apparatus is to combine simultaneously the measurement of thermodynamics parameters, essential for the adsorption/desorption isotherms, with the confined helium's optical signal scattered at several angles. The study has been performed on two different samples. They have the same porosity but their microstructures are different. They exhibit a fractal structure from few nanometers up to their two different gel correlation lengths (20 and 50~nm). From our measurements we conclude to the existence of hysteresis between the filling and the emptying of the aerogels. This is surprisingly consistant with a capillary condensation model of porous media with cylindrical pores with a narrow diameter distribution centered on the gel correlation length. These observations can also be compared to another new and different theoretical approche where the disorder, and not its geometry, is the key factor. Both the measure of the density of helium confined and the optical observations lead to the conclusion that when the pressure reaches the bulk vapor pressure, the aerogel is homogeneously filled with helium denser than the bulk liquid. The optical signal scattered at different angles reveals the existence of scattering domains correlated over distances larger than the gel correlation length. These domains appear and grow only on the hysteresis cycles, when the compressibility is high enough. Approximating these domains as spherical, we estimate their maximum size, just before the aerogel is completly filled, between 100 and 400~nm., La présente thèse est un travail expérimental ayant pour objet l'étude de la transition liquide-gaz de l'hélium dans les aérogels de silice par des moyens optiques. De précédentes études d'isothermes d'adsorption d'hélium dans des aérogels ont mené à des résultats contradictoires. D'un côté, l'existence d'une véritable transition de phase le long d'un plateau de pression en dessous de la pression de vapeur saturante (Psat) de l'hélium libre. Cette transition implique deux phases respectivement plus et moins dense que le gaz et le liquide massifs. De l'autre, l'observation d'hystérésis entre l'adsorption et la désorption, ainsi qu'une compressibilité finie évoquant le phénomène courant connu sous le nom de condensation capillaire. La faible densité du `liquide' est alors analysée comme un remplissage partiel de l'aérogel à Psat. Le but de l'observation optique est de discréminer entre ces deux scenarii. Ce mémoire décrit la construction d'un cryostat optique ainsi que de la chaine de mesure associée. Cette plate-forme permet de mesurer simultanément les données thermodynamiques nécessaires à la réalisation d'isothermes, et la lumière diffusée par l'hélium confiné à différents angles. L'étude concerne deux échantillons de même porosité, mais de microstructure différente. Ils présentent chacun une structure fractale s'étendant de quelques nanomètres jusqu'à leur longueur de correlation (20 et 50~nm). Nos mesures indiquent l'existence d'hystérésis entre le remplissage et la vidange. Ces cycles peuvent être analysés en terme de condensation capillaire dans un matériau poreux constitué de pores cylindriques dont les diamètres sont étroitement distribués autour de la longueur de correlation des aérogels concernés. Ces résultats peuvent également être comparés à des simulations récentes où le désordre, plus que la géomètrie, est le facteur déterminant. La mesure de la densité de l'hélium confiné et l'observation optique révèlent qu'à Psat, l'aérogel est plein d'une phase homogène et plus dense que celle de l'hélium massif. En dessous de Psat, le signal optique diffusé à différents angles indique l'existence de domaines correlés sur des distances supérieures à la longueur de correlation des gels. Ces domaines apparaissent et grossissent systématiquement le long des cycles d'hystérésis, là où la compressibilité devient grande. En supposant leur géomètrie sphérique, leur taille maximale est comprise entre 100 et 400~nm.

The C-S-H phase obtained by cement dissolution/precipitation process is responsible for the cement mechanical properties ; her structure is thought to be similar to Tobermorite (natural mineral). The topic is to study cement cohesion by prospecting lamellar tobermoritic sheets. The lamellar structure of synthesised tobermoritic C-S-H is highlighted : samples with Ca/Si ratio 0.9 are well crystallised. The dehydration/rehydration process study identified the existence of 3 tobermorite phases and thermal behaviour similarities with a "real" cement. We demonstrate the irreversibility of 14-11 Å transition. The study is oriented to understand the cohesion interlayer water role in relation with the two possible 11 Å natural tobermorite structures: Hamid's structure (independents layers) and Merlino's structure (bounded layers). The confrontation between experimental (29Si-RMN and infra-red spectroscopy) and numerical results (ab-initio and free energy minimisation) indicate the Hamid's structure as an acceptable model of Tobermoritic C-S-H. Keywords : Tobermorite, C-S-H, XRD, adsorption isotherms, infra red spectroscopy, NMR, ab-initio, free energy minimisation.; Les hydrates de ciment (C-S-H) obtenus par dissolution/précipitation du ciment anhydre, constituent la matrice donnant au matériau ses propriétés mécaniques et sont structurellement analogues de la tobermorite, un calcio-silicate lamellaire naturel. La compréhension de la cohésion du ciment passe donc par la compréhension de la cohésion entre feuillets tobermoritiques. La structure lamellaire de différents échantillons de CSH tobermoritiques synthétisés par "chimie douce" a été mise en évidence ; les échantillons avec un rapport Ca/Si égal à 0.9 étant particulièrement bien cristallisés. L'étude du processus de déshydratation pour ces échantillons a permis d'identifier 3 phases et de montrer la similarité de comportement vis à vis du "vrai" ciment. Nous montrons que la transition 14-11 Å est irréversible. Se pose alors la question du rôle de l'eau interfoliaire dans la cohésion du matériau en relation avec les deux structures possibles décrites dans la littérature pour la tobermorite naturelle 11 Å : la proposition d'Hamid (1981) décrivant un ensemble de feuillets indépendants et celle de Merlino et al (1999) décrivant des feuillets chimiquement liés. La confrontation entre résultats expérimentaux (29Si-RMN et spectroscopie infra-rouge) et numériques (calculs ab-initio et minimisation d'énergie) indique que la structure d'Hamid est un modèle acceptable pour les C-S-H tobermoritiques. La nature des liaisons inter-feuillets est d'origine coulombienne au sens de l'énergie de réseau des solides ioniques.

The C-S-H phase obtained by cement dissolution/precipitation process is responsible for the cement mechanical properties ; her structure is thought to be similar to Tobermorite (natural mineral). The topic is to study cement cohesion by prospecting lamellar tobermoritic sheets. The lamellar structure of synthesised tobermoritic C-S-H is highlighted : samples with Ca/Si ratio 0.9 are well crystallised. The dehydration/rehydration process study identified the existence of 3 tobermorite phases and thermal behaviour similarities with a "real" cement. We demonstrate the irreversibility of 14-11 Å transition. The study is oriented to understand the cohesion interlayer water role in relation with the two possible 11 Å natural tobermorite structures: Hamid's structure (independents layers) and Merlino's structure (bounded layers). The confrontation between experimental (29Si-RMN and infra-red spectroscopy) and numerical results (ab-initio and free energy minimisation) indicate the Hamid's structure as an acceptable model of Tobermoritic C-S-H. Keywords : Tobermorite, C-S-H, XRD, adsorption isotherms, infra red spectroscopy, NMR, ab-initio, free energy minimisation., Les hydrates de ciment (C-S-H) obtenus par dissolution/précipitation du ciment anhydre, constituent la matrice donnant au matériau ses propriétés mécaniques et sont structurellement analogues de la tobermorite, un calcio-silicate lamellaire naturel. La compréhension de la cohésion du ciment passe donc par la compréhension de la cohésion entre feuillets tobermoritiques. La structure lamellaire de différents échantillons de CSH tobermoritiques synthétisés par "chimie douce" a été mise en évidence ; les échantillons avec un rapport Ca/Si égal à 0.9 étant particulièrement bien cristallisés. L'étude du processus de déshydratation pour ces échantillons a permis d'identifier 3 phases et de montrer la similarité de comportement vis à vis du "vrai" ciment. Nous montrons que la transition 14-11 Å est irréversible. Se pose alors la question du rôle de l'eau interfoliaire dans la cohésion du matériau en relation avec les deux structures possibles décrites dans la littérature pour la tobermorite naturelle 11 Å : la proposition d'Hamid (1981) décrivant un ensemble de feuillets indépendants et celle de Merlino et al (1999) décrivant des feuillets chimiquement liés. La confrontation entre résultats expérimentaux (29Si-RMN et spectroscopie infra-rouge) et numériques (calculs ab-initio et minimisation d'énergie) indique que la structure d'Hamid est un modèle acceptable pour les C-S-H tobermoritiques. La nature des liaisons inter-feuillets est d'origine coulombienne au sens de l'énergie de réseau des solides ioniques.