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Suspensions de particules et bulles dans des fluides à seuil.

G. Ovarlez, Laboratoire Navier

par Bodiguel Hugues - publié le , mis à jour le

Les pâtes granulaires, telles les laves torrentielles, la terre crue, les pâtes alimentaires, les bétons frais et les mousses de plâtre, sont des suspensions concentrées de particules très polydisperses (du nm au cm), qui impliquent une grande diversité d ??interactions physiques entre particules (colloïdales, hydrodynamiques, contacts). Ce sont généralement des matériaux à seuil, qui ne s ??écoulent que sous l ??effet d ??une contrainte de cisaillement suffisamment forte. Cette caractéristique joue un rôle particulièrement important dans la mise en  ?uvre des matériaux du génie civil.
Si une séparation d ??échelle est possible entre les particules en suspension, ces pâtes granulaires peuvent être considérées en première approche comme des particules rigides non-colloïdales plongées dans un fluide à seuil (la suspension de particules colloïdales) dont les propriétés rhéologiques sont connues (par exemple : béton frais ? pâte de ciment + sables et granulats). D ??un point de vue fondamental, on se retrouve avec des suspensions dont les particules ont des interactions mécaniques non linéaires, ce qui les rend plus complexes que les suspensions visqueuses.

Dans ce séminaire, nous présenterons tout d ??abord une étude expérimentale du comportement rhéologique de suspensions de particules rigides non-colloïdales plongées dans des fluides à seuil. Nous nous intéresserons à l ??évolution de diverses propriétés rhéologiques (module élastique, seuil d ??écoulement, viscosité apparente) avec la fraction volumique en particules dispersées dans le matériau. Nous montrerons que le comportement observé est en très bon accord avec le comportement prédit par une approche d ??homogénéisation, qui prend en compte le caractère non linéaire du fluide interstitiel et la localisation de la déformation du fluide entre les particules. Nous évoquerons également le couplage entre écoulement et microstructure, que nous illustrerons à travers ses conséquences sur les propriétés d ??écrouissage de matériaux composites.
Nous nous intéresserons ensuite au cas de suspensions de bulles. Les bulles peuvent a priori se comporter comme des objets rigides ou mous suivant la valeur de la tension de surface, de la sollicitation mécanique et des propriétés mécaniques du fluide interstitiel. Nous montrerons que des nombres capillaires différents pilotent cette déformabilité suivant qu ??on s ??intéresse aux propriétés d ??élasticité du matériau ou à leurs propriétés viscoplastiques, ce qui donne lieu à des propriétés macroscopiques originales.
Enfin, nous aborderons le problème de sédimentation de particules dans un fluide à seuil. Nous montrerons que des particules non-colloïdales stables au repos dans un fluide à seuil sédimentent lorsque le matériau est en écoulement, et nous caractériserons en détail les propriétés de cette sédimentation. Il s ??agit désormais d ??un problème d ??hydrodynamique 3D qui nécessite la prise en compte du comportement tensoriel du fluide à seuil. Nous montrerons que, sous certaines conditions, il est possible de rendre compte quantitativement de ce phénomène.