Année 2012 DOCUMENT DE THESE présenté à L’U.F.R. DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L’UNIVERSITÉ DE FRANCHE-COMTÉ pour obtenir le GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE FRANCHE-COMTÉ spécialité : Sciences pour l’Ingénieur Etude expérimentale et analyse du comportement de mousses syntactiques pour grande profondeur d’immersion Experimental study and analysis of the mechanical behaviour of syntactic foams used in deep sea par Dominique CHOQUEUSE Soutenue le 15 novembre 2012 au centre IFREMER de Brest devant la Commission d’Examen : Rapporteurs F. JACQUEMIN Professeur – Université de Nantes Y. REMOND Professeur – Université de Strasbourg Examinateurs J.Y. COGNARD Professeur – ENSTA Bretagne, Brest D HALDANE Professeur, Herriot Watt University , Edimburgh (GB) F PIERRON Professeur, University of Southampton (GB) Directeurs de thèse D PERREUX Professeur – Université de Franche Comté P. DAVIES Ingénieur de recherche – IFREMER - 2 - « Il est moi grave de perdre que de se perdre » Romain Gary - 3 - - 4 - Remerciements. J’ai longuement réfléchi avant de rédiger ce petit paragraphe avec les craintes suivantes : celle, en l’écrivant, d’oublier quelqu’un et d’être maladroit dans la rédaction celle, en l’occultant, de m’attribuer un travail que je n’aurais pu réaliser seul. Je prends donc le risque d’en oublier et d’être maladroit. Mes remerciements vont tout d’abord vers Dominique et Peter. Sans eux, et c’est certain, ce document n’aurait pas vu le jour. L’un a su faciliter la mise en place de ce parcours, essayer entre autre de m’initier à l’art de la modélisation mécanique et m’apporter le soutien amical qui dépasse, et de loin, celui d’un directeur de thèse. L’autre, et c’est simplement le pendant de l’un, fut là pour me donner l’idée de m’attaquer à ce travail et, disons-le, de m’y pousser et, derrière des monticules de papiers, de souvent me rappeler « Alors, et la thèse … ». Pour compléter son apport, outre les conseils avisés, il me serait difficile d’oublier que l’anglais est loin d’être ma langue maternelle et là son soutien fut une fois de plus indéfectible. A Yves Remond et Frédérique, je voudrais rappeler l’honneur et la sympathie qu’ils m’ont faits d’avoir accepté de « rapporter » ce document. Ma facilité rédactionnelle n’a sûrement pas rendu aisé ce travail. Donc un grand merci à eux. La menthe sera pour moi la référence à mes rapporteurs, en me rappelant pour Yves les thés partagés du côté de Béchar et, pour Frédérique, une longue soirée nazairienne où les échanges furent animés. Fabrice et David m’ont fait l’amitié de traverser le Channel pour participer à mon jury. Je les en remercie vivement by a Thank you so much …et je n’oublierai pas les rencontres stéphanoises ni le long périple de la normalisation organisé par Denis que nous avons pu partager. Jean Yves s’est vu attribué le titre de président du jury et j’en suis sincèrement ravi et honoré. Ses conseils et son amitié me furent toujours de grande d’utilité. Les soutiens d’ordre technique ou moral provenant d’horizons divers me furent nombreux et, à ce que je me souvienne toujours accompagnés d’une saine cordialité. Collègues de travail, partenaires universitaires ou industriels, sans oublier les stagiaires, en voici une liste ordonnée alphabétiquement (ça m’évite plein de tracas …) : Albert (là ça tombe sincèrement bien qu’il soit en tête), Amandine, André, Bernard, Bertrand, Christophe, Denis, Denise, Eric, Florence, François, Jean, Jérôme, Joël, Laurent, Lionel, Luc, Marie-Michèle, Matthias, Mickael, Nicolas, Pascal, Philippe, Pierre, Pierre-Yves, Romain, Trung, Yves, Yvon (là il n’y pas de raison qu’il soit en dernier), ….A vous tous un grand Merci. - 5 - Je ne saurai terminer ce paragraphe sans rappeler le soutien indéfectible et si important des amis et de la famille avec, bien sûr, une mention particulière à Nicole, qui va pouvoir retrouver un compagnon de marche pour le dimanche après midi, Vincent, qui ce coup là n’est plus tout seul, Gaëlle, qui trouveras quand même quelque chose à me raconter au téléphone et Julie, qui sait si bien nous faire profiter du sourire de Lily. - 6 - TABLE OF CONTENTS Remerciements. ....................................................................................................................5 LIST OF FIGURES ............................................................................................................ 11 LIST OF TABLES .............................................................................................................. 17 Chapter 1. PRESENTATION ............................................................................................. 21 1.1 Glass microspheres ................................................................................................... 22 1.2 Behaviour of syntactic foam ..................................................................................... 24 1.3 Mechanical characterization of syntactic foam .......................................................... 29 1.4 Applications of syntactic foams ................................................................................ 30 1.5 Buoyancy application ............................................................................................... 31 1.6 Deep sea Oil & Gas exploitation ............................................................................... 33 1.7 Summary .................................................................................................................. 42 1.8 Study overview ........................................................................................................ 42 Chapter 2. EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION .................................................... 45 2.1 Elastic constants from ultrasonic wave speed measurement ...................................... 45 2.1.1 Presentation ....................................................................................................... 45 2.1.2 Principle ............................................................................................................ 46 2.1.3 Equipment ......................................................................................................... 47 2.1.4 Immersion through-transmission technique ........................................................ 51 2.1.5 Time delay determination .................................................................................. 52 2.1.6 Wave speed evaluation ...................................................................................... 54 2.1.7 Measurement ..................................................................................................... 56 2.1.8 Results ............................................................................................................... 58 2.1.9 Conclusions ....................................................................................................... 60 2.2 Uniaxial compression test ......................................................................................... 61 2.2.1 Test specimen .................................................................................................... 61 2.2.2 Results ............................................................................................................... 62 - 7 - 2.2.3 Conclusions ....................................................................................................... 67 2.3 Hydrostatic compression test .................................................................................... 68 2.3.1 Physical properties of water ............................................................................... 70 2.3.2 Relation between depth and pressure ................................................................. 71 2.3.3 Hydrostatic compression tests based on the measurement of volume change of compression fluid ......................................................................................................... 73 2.3.4 Instrumented hydrostatic compression based on buoyancy measurement ........... 78 2.3.5 Results ............................................................................................................... 85 2.3.6 Confined pressure test........................................................................................ 88 2.3.7 Conclusions ....................................................................................................... 88 2.4 Shear testing ............................................................................................................. 90 2.4.1 Standard tests .................................................................................................... 90 2.4.2 Iosipescu test. .................................................................................................... 91 2.4.3 Modified ARCAN test. ...................................................................................... 95 2.4.4 Conclusions ..................................................................................................... 105 2.5 Digital Image Correlation ....................................................................................... 105 2.5.1 DIC System ..................................................................................................... 106 2.5.2 Uniaxial compression ...................................................................................... 106 2.5.3 Iosipescu shear test .......................................................................................... 110 2.6 Synthesis of experimental characterization