Rhéologie de suspensions concentrées de sulfate de calcium

par Alexandre Pierre

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Christophe Lanos.

Soutenue le 14-06-2013

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) (laboratoire) .

Le président du jury était Georges Bossis.

Le jury était composé de Patrice Estellé, Arnaud Perrot.

Les rapporteurs étaient Nicolas Roussel, Sofiane Amziane.


  • Résumé

    Ce travail de recherche s’inscrit dans une volonté de développer des suspensions concentrées à application Génie Civil (chapes anhydrites, bétons cirés). Dans ce contexte industriel, l’étude est focalisée sur l’effet de l’introduction d’adjuvants de type polycarboxylate (PCP) sur les propriétés d’écoulement de suspensions formulées avec une anhydrite fortement réactive. Les travaux expérimentaux sont initiés par le développement de protocoles de caractérisation rhéologique étalonné sur un fluide modèle à seuil. Ceci permet d’évaluer l’effet de la taille de l’entrefer, de la rugosité des plateaux, du précisaillement ainsi que du type et de la durée de sollicitation. Nous avons alors défini un protocole unique, exploitable pour identifier la courbe d’écoulement des suspensions concentrées étudiées.. Les propriétés viscoélastiques des suspensions, évaluées aux faibles déformations, sont également caractérisées sous sollicitations oscillantes. Afin d’affiner la connaissance des structures moléculaires des différents adjuvants sélectionnés pour cette étude, des caractérisations physico-chimiques sont réalisées. Elles permettent de distinguer plusieurs paramètres caractéristiques des adjuvants : masse molaire, indice de polymolécularité et sensibilité à la température en fonction d’un milieu alcalin ou neutre. Des mesures d’adsorptions ont également été réalisées sur deux adjuvants. Nous montrons ainsi que le phénomène d’adsorption semble conditionné par les propriétés du milieu, notamment par la présence de chaux. L’étude rhéologique paramétrique montre que des modifications sensibles de la réponse peuvent apparaître en fonction de l’adjuvant utilisé et de la concentration de la suspension. Les évolutions des indicateurs de consistance et de contrainte seuil de mise en écoulement en fonction de la fraction volumique solide et du dosage en adjuvant sont identifiées. Les résultats sont interprétés en ajustant un modèle de type Krieger-Dougherty. L’évolution du paramètre puissance de ce modèle peut être interprétée comme une modification de la forme et de la rugosité du grain couvert par des molécules de PCP adsorbées. Les paramètres moléculaires conditionnant le plus la rhéologie des suspensions concentrées étudiées sont la masse molaire et l’indice de polymolécularité. L’interprétation des résultats est moins tranchée vis-à-vis du seuil de mise en écoulement que vis-à-vis de la consistance. Dès lors, nous avons mis en évidence la relation seuil-consistance. Sur le plan pratique, se restreindre à l’estimation du seuil de mise en écoulement des suspensions devient pertinent. À cette fin, un modèle analytique permettant d’estimer la contrainte seuil de mise en écoulement à partir d’un test d’écoulement libre sur une surface plane est proposé. L’objectif est d’apporter une amélioration aux modèles existants lorsque l’écoulement est à la frontière entre régime d’affaissement et régime d’étalement. L’analyse, qui peut être généralisée à l’étude de tous types de fluides complexes à seuil, conduit à une meilleure évaluation de la contrainte seuil. En croisant l’information de tests d’étalement et de vidange au cône de Marsh, nous montrons ainsi qu’une rhéométrie rustique est tout à fait pertinente pour un usage industriel. La notion d’enrobage de grain est proposée pour modéliser, à l’échelle microscopique, le rôle de l’adjuvant sur l’interaction entre particules. L’ordre de grandeur de la distance interparticulaire estalors estimé entre 1 et 5 nm en exploitant des données de rhéométrie oscillante. Cette approche phénoménologique permet de mettre en évidence l’effet de la fraction volumique solide sur la distance interparticulaire. Finalement, l’étude de la rhéologie des suspensions concentrées est étendue à la transition liquide solide liée aux réactions d’hydratation. Le suivi de l’effort normal exercé sur une géométrie en contact avec la suspension peut s’interpréter comme un indicateur alternatif de prise.

  • Titre traduit

    Rheology of calciium sulfate suspensions


  • Résumé

    This work has been initiated to improve the development of mineral suspension used for building construction. In this industrial field, the rheological evolution needs to be controlled from the mixing to the setting up. The study is herein focused on the influence of polycarboxylates superplasticizers as additives on the rheological properties of suspensions made with a reactive anhydrite. Firstly, we develop some protocols of rheological characterization which have been calibrated using a model yield stress fluid. Then, we evaluated the effect of several experimental parameters: the sample gap, the roughness of the plates, pre-shearing as well as the testing time. We finally used a unique protocol to identify the flow curves of the mineral suspensions. In addition, dynamic rheometry was used to study the viscoelastic properties of the suspensions at low strain with two rheometers equipped with different geometries. We assessed the physico-chemical characterization of thevarious additives selected for this study In order to provide the knowledge on their molecular shape. We distinguished several parameters such as: molecular weight and the thermorheologicalbehavior in alkaline or neutral conditions. Moreover, we performed adsorption measurements on tow additives. We showed that the adsorption phenomenon is mainly governed by a weak amount of calcium hydroxide within the suspensions. We observed significant differences on the rheological responses according to the solid volume fraction and the superplasticizers used into the mineral suspension. We identified the evolution of the consistency and the yield stress, derivedwith the Herschel-Bulkley model, against the solid volume fraction and the quantity of the additive. Then, we adjust a Krieger-Dougherty type model on the results. It was shown that the power parameter of this model may be linked to the roughness of the particles covered by the adsorbed layer of superplasticizers. The parameters affecting the rheology were the molecular weight and the polymolecularity index of the polycarboxylates. Nevertheless, these results are more obvious with the evolution of the consistency than the yield stress. As the relation between consistency and yield stress was highlighted, it could be possible to only measure the yield stress of the suspensions. This is here performed from the release of finite volume of material onto a horizontal surface. We experimentally observed that following its yield stress, the material may show a typical shape at the flow stoppage, between slump and spread. Based on these observations, we propose a new analytical model to evaluate the yield stress of the suspensions. Results showed the relevance of the proposed model, in comparison to previous models. The model developed here may be used for different sample sizes and for a wide range of yield stress fluids. The relationship between viscosity and yield stress of the mineral suspensions is discussed by evaluating the viscosity from Marsh cone tests. We finally showed that a hand-made rheometry is relevant for an industrial application. In order to improve the understanding of the adsorbed layer around the particles, a phenomenological approach at a microscopic scale is proposed. From oscillatory measurements, the interparticle distance within the suspensions is evaluated and ranges from 1 to 5 nm. This henomenological approach allowed us to highlight the influence or the solid volume fraction on the interparticle distance. Finally, we investigated from rheological measurements the liquid-solid transition of the suspensions caused by the hydratation reactions. Static and dynamic measurements were also performed to follow the structural evolution at rest of the suspensions versus time. A characteristic evolution of the normal force during the setting time of the suspensions is shown.


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  • Détails : 1 vol. (265 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. (pp. 243-251)

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