Image analysis of cement paste: relation to diffusion transport

Since the emergence of imaging techniques, MRI, CT, it is now possible to directly probe the geometrical organization of systems such as bone, cement, paper, glass, rocks. As the physical and mechanical properties depend on the geometrical organization, there is a scientific and industrial interest for the understanding of this relationship by using these imaging techniques. In this context, the purpose of this thesis is the development of a toolkit for digital image analysis of the material geometry, then the application of this toolkit in the study of the evolution of the pore space of cement paste. In part one, after a discussion on the choice of an imaging technique adapted to a material, we present the two imaging techniques selected, scanning electron microscopy and synchrotron tomography for the analysis of cement paste and the experimental protocol for sample preparation. In the second part, we propose a generic, efficient and simple methodology of segmentation. Segmentation is the transformation of a grey-level image to an labeled image where each label represents a phase of the material. Generic means that this methodology can be used for a wide range of materials and imaging techniques. Effective means that the segmented structure matches the real structure. Simple means that the calibration is easy. The implementation of the optimized algorithms associated with this methodology is done thanks to the theoretical conceptualization of the region growing. In the final part, we quantify the morphology and topology of the geometry of the material statistically. Then, we decompose a phase in term of elementary components along two agreements: one morphological and the other topological. Finally, we use the stereological information estimated on the 2D slice to reconstruct a 3D model larger than the representative elementary volume using the optimized algorithm of simulated annealing. The validation of the 3D reconstruction is performed by the comparison of properties of diffusive transport.Depuis l'émergence des techniques d'imagerie, IRM, tomographie, il est maintenant possible d'observer directement l'organisation géométrique de systèmes tels l'os, le ciment, le papier, le verre, les roches. Comme les propriétés physiques et mécaniques dépendent de l'organisation géométrique, il existe un intérêt scientifique et industriel de comprendre et de définir cette relation de dépendance à l'aide de ces techniques d'imagerie. S'inscrivant dans ce contexte, le but de cette thèse est de développer un ensemble d'outils numériques pour l'analyse d'image de la géométrie d'un matériau, puis d'appliquer ces outils dans l'étude de l'évolution de la porosité de la pâte de ciment. En première partie, nous présentons les deux techniques d'imageries sélectionnées, la microscopie électronique à balayage et la tomographie par synchrotron, pour l'analyse de la pâte de ciment et le protocole expérimental pour la préparation des échantillons. En deuxième partie, nous proposons une méthodologie générique, efficace et simple de segmentation. La segmentation est la transformation de l'image en niveaux de gris en une image labellisée où chaque label représente une phase du matériau. L'implémentation de l'ensemble des algorithmes optimisés associés à cette méthodologie est rendue possible grâce à la conceptualisation théorique de la croissance de régions. En dernière partie, nous quantifions statistiquement la morphologie et la topologie de la géométrie du matériau. Puis, nous décomposons une phase en éléments élémentaires suivant deux conventions: l'une morphologique, l'autre topologique. Enfin, nous utilisons l'information stéréologique estimée sur une coupe 2D pour reconstruire un modèle 3D à l'aide de l'algorithme optimisé du recuit simulé. Une validation de la reconstruction 3D est effectuée par un suivi des propriétés de transport diffusif