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Rhéologie des suspensions denses : couplage entre hétérogénéités et comportement

Guillaume Ovarlez LCPC

Les pâtes granulaires, tels les bétons frais et les laves torrentielles, sont des suspensions concentrées de grains de tailles très variées (du nm au cm) plongés dans un liquide visqueux. Dans cet exposé, nous nous intéresserons au développement d’hétérogénéités de concentration en particules dans ces matériaux, et à son couplage avec leur comportement. A l’aide de techniques rhéométriques couplées à des mesures par IRM, nous montrerons que les mécanismes à l’origine du développement d’hétérogénéités sont très sensibles au détail du comportement de ces matériaux. Par ailleurs, nous verrons que le développement d’hétérogénéités peut affecter sensiblement le comportement observé à l’échelle macroscopique. Nous nous attarderons plus particulièrement sur deux exemples.

Nous nous intéresserons tout d’abord au rhéoépaississement (augmentation de la viscosité apparente avec le taux de cisaillement appliqué) des suspensions denses, qui peut aller jusqu’au blocage des écoulements. Nous montrerons que le comportement à l’échelle locale de suspensions denses de particules non-colloïdales est faiblement rhéoépaississant, sans tendance au blocage ; ceci résulte des interactions directes entre grains dans les suspensions denses. Ce comportement faiblement rhéoépaississant tend à générer une migration très rapide et inattendue des particules vers les zones de faible cisaillement qui peut se traduire en retour par l’observation d’un rhéoépaississement discontinu (ou blocage) à l’échelle macroscopique.

Nous étudierons par ailleurs la stabilité de particules plongées dans des fluides à seuil. Nous montrerons que des particules non-colloïdales stables au repos dans un fluide à seuil (tels les granulats dans une pâte de ciment) sédimentent lorsque le matériau est en écoulement. Nous étudierons en détail le comportement tensoriel du fluide à seuil à l’origine de ce phénomène de sédimentation induite par le cisaillement.