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Mousses de suspension granulaire

Olivier Pitois, Laboratoire Navier - UMR 8205 CNRS École des Ponts-ParisTech - IFSTTAR

3 avril 2015

Nous nous intéressons au système issu du moussage d’une suspension granulaire, qui constituent un modèle de matériau de construction moussé. Pour cette classe de matériaux, l’enjeu est d’accroitre autant que possible la proportion d’air incorporé, de manière à leur conférer de véritables propriétés d’isolation thermique. D’apparence simple, cette démarche se heurte actuellement à plusieurs défis scientifiques majeurs liés à la stabilité mécanique du système avant et après sa solidification.

Concernant l’état non-solidifié, nous présentons les résultats d’une étude expérimentale desphénomènes de ségrégation dans un système modèle, réalisé selon une méthode de génération permettant de contrôler la taille des bulles, celle des particules, la fraction d’air et la fraction volumique des particules dans la suspension interstitielle. Le résultat principal est l’identification du paramètre de contrôle (L) de la cinétique de ségrégation. L est formé à partir de la taille des particules et celle qui définit les zones de constriction dans le réseau interstitiel. Ainsi, pour une fraction en particule fixée, l’augmentation de L fait apparaître successivement quatre régimes. (i) L < 1 : l’écoulement de la suspension interstitielle est bien décrit en termes de viscosité effective μeff.

Nous mettons en évidence et nous modélisons la dépendance de μeff avec L sur toute la gamme de fraction particulaire, jusqu’au jamming de la suspension (et le blocage de la ségrégation) survenant à des fractions critiques étonnement faibles. (ii) 1 ≤ L ≤ 1,5 : les particules sont progressivement capturées par les constrictions du réseau ce qui engendre une chute de la vitesse de ségrégation. (iii) 1,5 ≤ L ≤ 2 : toutes les particules sont piégées dans le réseau et ralentissent efficacement l’écoulement du liquide interstitiel. Hormis pour les fractions particulaires élevées (jamming), ce régime correspond à la configuration optimale pour réduire la vitesse de ségrégation. (iv) L > 2 : la vitesse de ségrégation augmente avec L vers une valeur asymptotique bien déterminée. Ce dernier régime correspond à une transition d’échelle de taille entre les particules et les éléments structurants du réseau interstitiel.

Concernant l’état solidifié, nous avons mesuré la résistance mécanique d’une mousse solide dont la phase interstitielle est faite d’un polymère mou chargée de sphères dures. De même que pour les mousses liquides, notre dispositif de génération nous a permis d’obtenir des mousses dont les propriétés structurales ne sont pas modifiées par le chargement en particules ce qui permet d’identifier clairement le renforcement créé uniquement par la présence des particules. Les propriétés mécaniques de ces mousses particulaires ont été caractérisées à partir du module élastique de cisaillement mesuré dans un test de cisaillement plan. En faisant varier la taille des particules et leur concentration, nous montrons que le même paramètre L contrôle la transition d’un effet de renforcement mécanique par la charge particulaire lorsque les particules sont suffisamment petites à, au contraire, un effet de ramollissement lorsque les particules sont trop grosses. En écrivant soit à l’échelle du matériau interstitiel, soit à l’échelle de la mousse, le module élastique d’une matrice élastique chargée avec des inclusions rigides, nous proposons un modèle phénoménologique qui est en bon accord avec les deux comportements observés dans les expériences.