Comportement rhéologique de suspensions de particules non colloïdales plongées dans des fluides à seuil

Rheological behaviour of non colloidal suspensions embedded in yield stress fluids

• Auteur / Autrice : Fabien Mahaut
• Direction : Philippe Coussot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et structures
• Date : Soutenance le 04/03/2009
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Ouvrages, Durabilité, Environnement et Structures (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; ....-2009)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire central des Ponts et Chaussées (France ; 1949-2011) - Laboratoire Navier (Marne-La-Vallée)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Guillaume Chambon, Sylvie Cohen-Addad, Yael Forterre, Elisabeth Guazzelli, François Lequeux, Guillaume Ovarlez, Nicolas Roussel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thixotropie

Isotropie

Matériaux

Fluides

Particules (matière)

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Particules

Fluides

Matériaux

Isotropie

Thixotropie

Résumé

Nous avons étudié le comportement rhéologique de suspensions de particules non colloïdales plongées dans des fluides à seuil. Nous nous sommes focalisé sur la contribution purement mécanique des particules. Nous avons dans un premier temps étudié le comportement en régime solide en formulant de nombreux systèmes expérimentaux modèles. Nous avons mesuré les propriétés d’élasticité linéaire, ainsi que les propriétés de seuil. Nous trouvons des lois reliant les propriétés rhéologiques de la suspension à celles du fluide ainsi qu’à la fraction volumique en particules monodisperses pour une distribution isotrope. Nous validons une approche d’homogénéisation proposée par Chateau et al. reliant les propriétés linéaires aux propriétés non-linéaire par une loi simple qui permet ainsi de prédire le seuil de contrainte de ce type de matériaux. Cette approche est validée sur des mortiers modélisés par une suspension de billes de verre dans une pâte de ciment thixotrope. Dans un second temps, nous explorons le régime liquide et caractérisons le comportement en écoulement d’un fluide à seuil modèle, une émulsion, selon une modélisation d’Herschel-Bulkley d’exposant n=½. Nous montrons que cette loi reste valable pour une suspension de particules dans cette émulsion. Nous mesurons la consistance d’Herschel-Bulkley en fonction de la fraction volumique en particules et nous constatons un bon accord entre ces mesures et une loi prédite par l’approche d’homogénéisation de Chateau et al. Enfin, nous observons une distinction entre seuil d’arrêt et seuil de démarrage probablement dû à la distribution des particules

We study rheological behaviour of non colloïdal particles suspensions embedded in yield stress fluids. We focus on strictly mechanical particles influence. First, we study solid domain with a large experiment panel on model materials. We measure linear elasticity and yield stress. We found law which link suspensions properties to interstitial fluids one and monodisperses particles concentration for an isotropic distribution. We compare our results to a homogenization approach by Chateau et al. which give us a very simple law between linear and non linear properties. This approach could predict the yield stress variation as a function of particles concentration with a very good agreement. Then, we validate this approach on a model mortar (glass beads in a thixotropic cement paste). In a second part, we explore liquid domain and characterize flowing behaviour of a yield stress model fluid, an emulsion, as a Herschel-Bulkley fluid with an exponent n =½. We show that this law still applicable for particles suspension in this emulsion with the same Herschel-Bulkley exponent. Then, we measure Herschel-Bulkley consistency as a function of particles concentration and found a good agreement with a law predicted by Chateau et al. from a homogenization approach. Finally, we observe difference between stopping yield stress and starting yield stress, this difference is probably due to particles distribution