Etude de la compacité optimale des mélanges granulaires binaires : classe granulaire dominante, effet de paroi, effet de desserrement

par Gérard Roquier

Thèse de doctorat en Structures et Matériaux

Sous la direction de Jean-Noël Roux.

Soutenue le 15-02-2016

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Gaël Combe.

Le jury était composé de Jean-Noël Roux, Nicolas Roussel.

Les rapporteurs étaient François de Larrard, André Lecomte.


  • Résumé

    La compacité des matériaux granulaires est une grandeur qui intéresse un grand nombre de secteurs, notamment les bétons hydrauliques. Lorsque les fractions granulaires ne possèdent pas des rapports de tailles infinis, deux interactions géométriques se développent : l’effet de paroi et l’effet de desserrement. La première peut se décrire ainsi : une grosse particule isolée constitue un « intrus » contre lequel viennent se ranger les petites particules, créant un supplément de vides à l’interface. La seconde se produit lorsque les petits grains sont insuffisamment fins pour se glisser entre les gros. Nous analysons comment elles sont prises en compte dans un certain nombre de modèles d’empilement en nous fixant finalement sur celui de de Larrard et al. : le modèle d’empilement compressible (MEC), l’un des plus efficaces. Dans celui-ci, les effets de paroi et de desserrement sont quantifiés par l’intermédiaire de deux coefficients dont les expressions sont obtenues par lissage de données expérimentales en fonction du rapport des diamètres fins/gros. Cependant, il n’existe aucune théorie pleinement satisfaisante permettant de les obtenir. Cette thèse vise à combler ce chaînon manquant. Nous avons conduit notre étude dans le cadre des empilements ordonnés et compacts de particules afin d’être en adéquation avec les hypothèses de constitution du MEC qui propose, comme préalable à l’obtention de la compacité réelle, la détermination d’une compacité virtuelle définie comme la compacité maximale susceptible d’être atteinte si l’on pouvait déposer, un à un, chaque grain à son emplacement idéal. Cette façon de procéder permet la création de cellules élémentaires juxtaposées. Dans ce cadre, l’interaction exercée par une espèce granulaire sur une autre de taille différente est menée à partir d’une étude localisée autour d’une particule « intruse » de la classe dominée, entourée de particules de la classe dominante. La simulation numérique apporte une confirmation de la validité du modèle. En plus de fournir des coefficients d’effets de paroi et de desserrement très proches de ceux prédits théoriquement, elle a permis l’étude d’empilements désordonnés de compacité maximale pour des billes bidispersées sans frottement dont les rapports de tailles valent 0,2 et 0,4. Le concept de « pressions partielles », qui tient compte à la fois des aspects géométrique et mécanique, a permis d’affiner la notion de classe dominante et de mieux appréhender la constitution du squelette porteur de l’édifice granulaire. En plus des zones constituées par les « fins dominants » et par les « gros dominants », il existe une zone mixte que nous avons dénommée « zone de synergie du squelette porteur » où les « pressions partielles » fines-grosses sont les plus importantes. En tenant compte de la nouvelle théorie développée pour les interactions géométriques, le modèle d’empilement compressible (MEC) subit une évolution et devient le MEC 4-paramètres, qui sont : les coefficients d’effet de paroi et d’effet de desserrement, le rapport de tailles de caverne critique et l’indice de compaction du mélange. Ce dernier ayant subi un nouvel étalonnage, le MEC 4-paramètres montre son efficacité quant à la prédiction de compacités sur mélanges binaires à partir de l’analyse de 780 résultats obtenus sur différents types de matériaux. Enfin, un modèle visant à prédire la viscosité d’une suspension concentrée de particules sphériques multidimensionnelles suspendues dans un fluide visqueux est présenté. Compatible avec la relation d’Einstein, il fait appel au concept de changement d’échelle de Farris et à une loi de viscosité de type Krieger-Dougherty. Lorsque la fraction volumique de solide atteint sa valeur critique, la suspension devient empilement et le mélange atteint la compacité du squelette solide déterminée par le MEC 4-paramètres

  • Titre traduit

    Study of the optimal solid fraction of binary granular mixtures : dominant granular class, wall effect, loosening effect


  • Résumé

    Packing density of granular materials is a quantity which interests many sectors, in particular hydraulic concrete. When two monodimensional grain classes have no very different sizes, two geometrical interactions develop : the wall effect and the loosening effect. The first one express the perturbation of the packing of the small grains at the interface between large and small grains. The second one occurs when small grains are not enough fine to insert into small cavities created by the touching larger grains. We analyze how they are taken into account in existing packing models. We select finally the compressible packing model (CPM) of de Larrard et al., one of the most effective. In this one, wall effect and loosening effect are quantified by two coefficients. They can, of course, be calculated from experimental results on binary mixtures, as a function of fine/coarse diameter ratios. However, there is no satisfactory theory allowing to calculate them. This doctoral thesis is done to fill this missing link. Ordered and very packed piles of particles are used as a reference frame to be in adequation with the CPM assumptions which require, before the calculation of the real packing density, the determination of a virtual packing density. The latter is defined as the maximum packing density attainable if each particle could be positioned in its ideal location. This approach allows the creation of elementary juxtaposed cells. In that context, the effect of a smaller grain (loosening effect) or a larger grain (wall effect) on the packed class is based on the study of a foreign sphere surrounded by dominant class neighbours. The numerical simulation confirms the validity of the model. In addition to predict wall effect and loosening effect coefficients close to those determined theoretically, numerical simulation was used to predict the solid fraction of maximally dense disordered packings of bidisperse spherical frictionless particles with 0,2 and 0,4 size ratios. The « partial pressures » concept, that includes both geometrical and mechanical aspects, allows to complete and improve the notion of dominant class and to better understand the build-up of the granular skeleton. In addition with « small grains packed » and « large grains packed » zones, the numerical simulation has highlighted a joint zone, called « synergism zone of the granular skeleton » where « partial pressures » fine-large particles are the most important. With this new theory developed for geometrical interactions, the compressible packing model (CPM) is evolving to the new 4-parameter CPM which are : the wall effect coefficient, the loosening effect coefficient, the critical cavity size ratio and the compaction index of the mixing, which requires a new recalibration. The 4-parameter CPM demonstrates its efficiency to predict the packing density of binary mixtures from the analysis of 780 results obtained on different types of materials. Finally, a model intended to predict the viscosity of a multimodal concentrated suspension with spherical particles suspended in a viscous fluid is presented. We resort to the iterative approach advocated by Farris and to a power-law relation (Krieger-Dougherty type) for the relative viscosity, compatible with the Einstein relation appropriate for a dilute suspension. When the solid volume fraction reaches its critical value, the suspension is jammed and the mixture reaches the packing density of the solid skeleton calculated with the 4-parameter CPM


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