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Understanding the evolution and behaviour of this material is crucial for predicting avalanches and their interaction with structures, or for modelling the evolution of the snowpack.Formed in clouds, snowflakes accumulate to form the snowpack.Snow is a porous material, composed of a skeleton of ice and air. This microstructure varies rapidly under natural conditions, due to metamorphism and sintering in the ice skeleton.Its mechanical response is strongly influenced by the loading conditions (temperature, loading mode, stress or strain rate) and the microstructure.It has been observed that the mechanical strength of snow shows a strain rate-dependent hardening in the ductile regime and a softening in the brittle regime.The ductile-to-brittle transition, observed for velocity ranges of 10⁻⁴-10⁻³ s⁻¹ corresponds to the transition between these two behaviours.At the microstructural level, this transition is explained by a competition between grain bonds breaking mechanisms and healing mechanisms associated with sintering.The role of the elasto-visco-plastic properties of the ice, the 3D arrangement of the ice skeleton and their relative importance as a function of the loading conditions remain to be clarified; observation at the microstructure scale and during testing is delicate.In this thesis work, we designed a specific experimental setup to conduct a confined compression test campaign of snow samples in an X-ray micro-tomography cabin. In a first part, we conducted creep tests on snow samples with controlled microstructure. In a second part, we carried out a campaign of compression tests at controlled speed for speed ranges of 10⁻⁶-10⁻² s⁻¹.We used tomography to image the microstructure of the snow. For all tests, initial and final states were acquired. For the lower strain rates, scans were also taken during the test. For the others, we acquired simple high frequency X-rays.On the images, we applied processing algorithms to measure the density, the specific surface, but also, in a more original way, the size and number of bonds. We have quantified the evolution of these characteristics under several stress conditions.This study showed that, during the compaction of snow under low stress, the microstructure was only slightly impacted by the mechanical stress, essentially by an increase in the number of bonds when the initial density is relatively low. Under these conditions, metamorphism remains the main driver of the evolution of the specific surface.Under controlled loading rates, the increase in mechanical strength can be attributed to a positive feedback between the increase in the number of bonds, controlled by "mechanics", and the increase in their size, due to metamorphism.The relative effects depend on the rate of loading.At the ductile-to-brittle transition, our observations highlight the impact of local microstructural failures on the mechanical response which, in brittle behaviour, are characterised by the propagation of compaction bands.This study, which presents the originality of systematically associating high-definition microstructural observations with the analysis of the mechanical response, should allow a better consideration of small-scale mechanisms in the representation and modelling of the macroscopic response of the snowpack.; La compréhension de l'évolution et du comportement de ce matériau est cruciale pour la prédiction des avalanches et leur interaction avec des structures, ou la modélisation de l'évolution du manteau neigeux.Formés dans les nuages, les flocons de neige s'accumulent pour former le manteau neigeux.La neige est un matériau poreux, composé d'un squelette de glace et d'air. Cette microstructure varie rapidement dans les conditions naturelles, sous l'effet du métamorphisme et du frittage dans le squelette de glace.Sa réponse mécanique est fortement influencée par les conditions de sollicitation (température, mode de chargement, contrainte ou vitesse de déformation) et la microstructure.Il a été observé que la résistance mécanique de le neige présente un durcissement en fonction de la vitesse de déformation dans la régime ductile et un adoucissement dans le régime fragile.La transition ductile-fragile, observée pour des gammes de vitesses de 10⁻⁴ s⁻¹ à 10⁻³ s⁻¹ correspond à la transition entre ces deux comportements.À l'échelle de la microstructure, cette transition est expliquée par une compétition entre des mécanismes de rupture de ponts entre les grains et des mécanismes de cicatrisation associés au frittage.Le rôle des propriétés élasto-visco-plastiques de la glace, de l'arrangement 3D du squelette de glace et leur importance relative en fonctions des conditions de sollicitation restent encore à préciser ; l'observation à l'échelle de la microstructure et en cours d'essai est délicate.Dans ce travail de thèse, nous avons conçu un dispositif expérimental spécifique pour mener une campagne d'essais de compression confinée d'échantillons de neige dans l'enceinte d'une cabine de micro-tomographie aux rayons X. Dans un premier temps nous avons conduit des essais de fluage sur des échantillons de neige à microstructure contrôlée. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé une campagne d'essais de compression à vitesse contrôlée pour des gammes de vitesse allant de 10⁻⁶ s⁻¹ à 10⁻² s⁻¹.Nous avons utilisé la tomographie pour imager la microstructure de la neige. Pour tout les essais, les états initiaux et finaux ont été acquis. Pour les plus faibles vitesses de déformation, des scans ont aussi été réalisés en cours d'essai. Pour les autres, nous avons procédé à une acquisition de radiographies simples à haute fréquence.Sur les images, nous avons appliqué des algorithmes de traitement pour mesurer la densité, la surface spécifique, mais aussi de façon plus originale, la taille et le nombre de ponts. Nous avons quantifié avec précision l'évolution de ces caractéristiques sous plusieurs conditions de sollicitations.Cette étude a permis de mettre en évidence que, lors de la compaction de la neige sous faible contrainte, la microstructure n'était que faiblement impactée par la sollicitation mécanique, et ce essentiellement par une augmentation du nombre de ponts lorsque la densité initiale est relativement faible. Dans ces conditions, le métamorphisme reste le moteur principal de l'évolution de la surface spécifique.Sous vitesse de chargement contrôlée, l'augmentation de la résistance mécanique peut être attribuée à une rétroaction positive entre l'augmentation du nombre de ponts, contrôlée par "la mécanique", et l'augmentation de leur taille, due au métamorphisme.Les effets relatifs dépendent de la vitesse de sollicitation.A la transition ductile-fragile, nos observations mettent en évidence l'impact des ruptures locales de la microstructure sur la réponse mécanique qui, en comportement fragile, se caractérisent par la propagation de bandes de compaction.Cette étude, qui présente l'originalité d'associer systématiquement des observations microstructurales de haute définition à l'analyse de la réponse mécanique devrait permettre une meilleure prise en compte des mécanismes à petite échelle dans la représentation et la modélisation de la réponse macroscopique du manteau neigeux. |
