Rhéologie et écoulements de matériaux granulaires renforcés par des fibres

Rheology and flows of granular systems enforced by fiibers.

• Auteur / Autrice : Ladislas Wierzchalek
• Direction : Georges Gauthier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Rhéologie

Fibre

Granulaire

Rheology

Fiber

Granular

Résumé

L'introduction d'une petite quantité de fibres flexibles dans un milieu granulaire permet d'augmenter considérablement la résistance mécanique du matériau en raison de l'enchevêtrement qui se produit entre les fibres et les grains. Cette technique est utilisée pour renforcer le littoral contre l'érosion ou pour augmenter la résistance des bétons. Malgré l'utilisation répandue des techniques de renforcement par fibres, la description physique du comportement de ces matériaux reste à développer. Cette thèse propose d'étudier le comportement en écoulement des matériaux granulaires renforcés par des fibres. Pour ce faire, on réalisera des expériences avec un matériau modèle constitué de grains calibrés et de fibres synthétiques. Ces expériences permettront de déterminer l'effet des différentes paramètres (rapport d'aspect, élasticité, concentration) du problème sur le comportement macroscopique ds matériaux granulaires fibrés. La première configuration d'écoulement envisagée est celle d'un cisaillement simple afin d'établir des lois constitutives pour ces matériaux. Dans un deuxième temps, on explorera la réponse du matériau dans des configurations d'écoulement plus complexes comme l'écoulement sur un plan incliné ou l'effondrement d'une colonne cylindrique sous l'effet de la gravité. On cherchera à savoir dans quelle mesure les lois constitutives établies en cisaillement simple permettront de prédire ces situations. Ces expériences seront complétés par des simulations numériques basées sur une méthode d'éléments discrets afin d'identifier les mécanismes physiques à l'échelle des grains et des fibres qui sont à l'origine du comportement macroscopique des milieux granulaires renforcés par des fibres.

The introduction of a small amount of flexible fibres into a granular medium can produce an entangle-ment between fibres and grains and significantly increase the mechanical strength of the material. This technique is used in practice to reinforce shorelines against erosion or to increase the strength of concrete materials. Despite the widespread use of fibre-reinforcement techniques, a physical description of the flow behaviour of these materials needs to be further developed. This thesis proposes to study the flow behaviour of fibre-reinforced granular materials using mainly an experimental approach complemented with numerical simulations. Experiments will be done with a model material made of spherical glass beads added with synthetic fibers of different aspect ratios and bending stiffnesses. The first part of the thesis will be dedicated to establish the rheological law of this model reinforced material by investigating its response in a simple shear flow cell. We will estimate how the volume fraction of the fibres, their aspect ratio and their bending stiffness affect the rheological properties of the material. In a second part, we will explore the behaviour of fibre-reinforced granular materials in different flow configurations: inclined plane, column collapse and object intrusion. We will test the validity of the rheological laws established in the first part to predict correctly these situations. These experiments will permit to propose a general framework to rationalize the flow a fibre-reinforced granular materials. The third part of the thesis will consist in implementing numerical simulations to model the response of a mixture of grains and fibres. The aim of these simulations will be to identify the mechanisms at the grain and fibre scale that underlie the global behaviour of these materials