Déformations de séchage d’un matériau poreux modèle : caractérisation, modélisation et simulation

Dans le cadre du projet de recherche DR(i)ED (Deformation Response of structural Elements exposed to Drying), un stage de niveau master 2 ou équivalent et d’une durée de 4 à 6 mois est proposé au sein des laboratoires LMA et IUSTI à Marseille (campus de Château-Gombert).

1. Descriptif scientifique du projet

De nombreux matériaux poreux d’origine naturelle (bois, végétaux) voient leur comportement mécanique évoluer significativement avec leur teneur en eau. Le séchage induit un retrait et un durcissement qui peuvent donner lieu à des variations de courbure. Celles-ci se traduisent à leur tour par des changements de géométrie très significatifs et potentiellement néfastes pour la structure considérée. Dans la construction en bois, ce phénomène est bien identifié et la stabilité dimensionnelle et de forme des structures en bois est un enjeu majeur. La prédiction quantitative des changements de géométrie en fonction de l’évolution de l’humidité reste néanmoins un problème très ouvert. Le projet DR(i)ED a pour objet de combiner la théorie de la poroélasticité et la théorie des coques pour développer un modèle permettant de prédire les déformations induites par le retrait de séchage dans les matériaux naturels sensibles aux couplages hygro-mécaniques.

Afin d’identifier les ingrédients essentiels du modèle à développer et également de disposer de données de référence permettant de valider le modèle développé, ce projet comporte un premier volet expérimental, dans lequel nous chercherons à caractériser le séchage et les déformations d’un matériau modèle. Nous avons sélectionné les carrés d’éponge en cellulose, pour plusieurs raisons : (1) c’est un matériau peu coûteux, que l’on peut manipuler et découper sans danger ; (2) le séchage complet est très rapide (moins de 10h) ; (3) bien que constitués de fibres naturelles, les carrés d’éponges sont produits de façon industrielle, ce qui permet d’assurer une certaine reproductibilité des expériences de séchage. La figure 1 illustre la variété des formes que peuvent prendre ces carrés d’éponges en séchant.

Ce stage a pour but la caractérisation expérimentale non-destructive de l’état mécanique et hydrique d’un carré d’éponge au cours de son séchage. Plus précisément, on cherche à établir au cours du temps des cartes des déformations locales (état mécanique) et des teneurs en eau locales (état hydrique).
Deux techniques seront mises en œuvre et comparées pour la mesure des déformations : la corrélation d’images numériques d’une part et la photogrammétrie d’autre part.

L’état hydrique des éponges sera par ailleurs caractérisé par des mesures locales de conductivité électrique. Une calibration fine sera effectuée afin d’établir le lien entre conductivité (la grandeur effectivement mesurée) et teneur en eau (la grandeur d’intérêt). Le dispositif développé sera ensuite utilisé pour mettre en œuvre des techniques de « tomographie de conductivité », permettant de déterminer une cartographie locale de la résistivité (et donc de la teneur en eau) à l’aide de mesures au bord seulement. Ce point nécessitera la mise en place d’un modèle numérique fidèle du dispositif expérimental.
En parallèle de ces essais macroscopiques (échelle : 10 cm environ), des essais mésoscopiques (échelle : 1 cm environ) permettront de déterminer l’évolution de la raideur et du retrait de l’éponge en fonction de sa
teneur en eau.
Afin de vérifier la cohérence de ces mesures, une première simulation non-couplée du séchage sera effectuée, dans laquelle l’histoire des teneurs en eau locales sera prescrite, et les déformations induites seront
évaluées et comparées aux mesures expérimentales.
Le protocole expérimental ainsi défini pourra, suivant le temps disponible, être mis en œuvre sur une série d’expériences de séchage, en humidité relative contrôlée.

2. Profil du candidat
On recherche un étudiant de niveau M2 ou troisième année d’école d’ingénieurs, spécialisé en mécanique (structures ou matériaux). Le travail demandé se compose d’une partie expérimentale et d’une partie numérique : l’équilibre entre ces deux parties pourra être ajusté en fonction du profil du candidat. Des connaissances élémentaires en programmation (Python/Numpy/Scipy) et en poromécanique seraient appréciées.

Ce stage est gratifié ; il sera encadré par Wael Hafsa (wael.hafsa@univ-amu.fr , IUSTI), Cédric Bellis (bellis@lma.cnrs-mrs.fr, LMA) et Sébastien Brisard (sebastien.brisard@univ-amu.fr, LMA). Il débutera au printemps 2025 suivant les disponibilités du ou de la candidat(e).

3. Contact et candidatures
Merci d’adresser votre dossier de candidature (relevé de notes de M1 et M2, CV et lettre de motivation, lettre(s) de recommandation d’un enseignant et/ou chercheur) ou toute demande d’information complémentaire aux trois encadrants du projet.