Suspensions floculées modèles : de la caractérisation à la modélisation

par Jennifer Fusier

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Xavier Chateau.

Soutenue le 07-10-2016

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 UMR 8205- IFSTTAR-ENPC-CNRS (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Pignon.

Le jury était composé de Xavier Chateau, Julie Goyon, Emanuela Del Gado, Fabrice Toussaint.

Les rapporteurs étaient Pascal Hebraud, Guillaume Ovarlez.


  • Résumé

    Les suspensions de particules colloidales dans des fluides newtoniens sont utilisées dans un grand nombre de secteurs pour leurs propriétés complexes. Ces dernières proviennent de l’interaction entre les forces hydrodynamiques et les forces physico-chimiques interparticulaires. Malgré de nombreuses études dédiées aux comportements des suspensions colloïdales le lien entre propriétés macroscopiques et forces d’interactions est toujours source de discussions. L’objectif de ce travail est de comprendre et caractériser, aux différentes échelles, et à l’aide de différentes techniques expérimentales, le lien entre la floculation des suspensions et quelques grandeurs rhéologiques (module élastique et contrainte seuil) caractérisant leur comportement macroscopique.La diversité chimique, en taille et en forme des constituants des pâtes cimentaires ainsi que la réactivité du système rendant l’étude trop délicate, des suspensions modèles sont utilisées (particules de silice sphériques et broyés en suspension dans de l’eau).Les suspensions colloïdales formulées sont thixotropes, l’évolution des propriétés rhéologiques en fonction du temps est analysée.Pour les deux types de suspensions, on observe que la contrainte seuil et le module élastique augmentent avec la fraction volumique en particules, la force ionique et le temps de repos.Ces deux grandeurs dépendent de la microstructure des suspensions mais décrivent deux réponses distinctes du matériau suite à l’application d’une sollicitation mécanique. Bien que ces grandeurs soient pilotées par la microstructure du matériau il n’y a pas d’évidence qu’elles soient liées l’une à l’autre. Cependant toutes les données G’=f(Tc) se placent sur une courbe unique pour un type de particule et une taille donnée. Ce résultat confirme que le module élastique peut être utilisé comme un paramètre de structuration caractérisant l’influence de la floculation sur la contrainte seuil. De plus nous nous sommes intéressés à l’impact de la taille des particules sur la réponse rhéologique du matériau. Nous observons que la contrainte seuil est proportionnelle à l’inverse de la taille des particules au carré et le module élastique à l’inverse de la taille des particules. Les modèles présents dans la littérature ne prédisent pas la même normalisation par la taille, cela suggère que les interactions interparticulaires contrôlant le comportement macroscopique ne sont pas encore totalement comprises.L’observation des suspensions au repos par microscopie confocale ne révèle pas de réorganisation structurelle dans le temps. Ainsi la thixotropie des suspensions s’explique probablement par l’existence de nano-organisations structurelles. Cependant des différences de structures sont mises en évidence pour des suspensions de formulations éloignées. Une structure primaire dépendant de l’intensité des interactions et de la fraction volumique se forme de manière instantanée une fois que le précisaillement est arrêté. Il s’en suit une évolution des propriétés rhéologiques avec le temps de repos qui est attribuée à des réarrangements très localisés non visibles par microscopie

  • Titre traduit

    Flocculated ideal suspensions : From characterization to modelisation


  • Résumé

    Suspensions of colloidal particles suspended in a Newtonian fluid are encountered in many fields of daily life or industrial sectors. Complex behavior of colloidal suspensions comes from the interplay between hydrodynamical and several physico-chemical interactions between the particles. Even if a lot of works have been devoted to these topics, the complex relationships between the interparticle forces and the suspension's overall macroscopic behavior are far from being fully understood. This work aims to understand and characterize, at different scales, and through several techniques, the link between the flocculation state and some rheological properties (elastic modulus and yield stress) of colloidal suspensions.As in real system diversity in sizes, shapes, chemical constituents combined with chemical reaction make the system hard to control we work with model suspensions (spherical and crushed silica particles suspended in water).The suspensions being highly thixotropic, we characterize the evolution of their rheological properties (elastic modulus: G’ and yield stress: τc) with time.We observe for both materials that yield stress and elastic modulus increase with volume fraction, ionic strength and resting time.The two quantities G’ and τc depend on the microstructure ie the floculation state but are linked to two different kinds of response when a mechanical loading is apply to the system. Of course, both quantities depend on the flocculation state of the system but there is not clear evidence that these two quantities must be linked one to the other. However all the data G’=f (τc) collapse onto a simple curve for a given type and a given size of particle. This result proves that elastic shear modulus can be used as a “structural parameter” to account for the influence of flocculation on the yield stress.Moreover we focus on the effect of particle size on the measured properties and we observe that the yield stress scales with the inverse of the squared particle size and the elastic modulus with the inverse of particle size. The models existing in literature do not predict this scaling which would suggest that the interactions controlling macroscopic behaviour are still not fully understood.The observations performed with cofocal microscopy do not reveal any structural organisations when suspensions are left at rest. Then thixotropy of suspensions is assumed to be linked to nano scale change in microstructure. But different microstructure are observed regarding the suspension formulation. A primary microstructure is instantaneously formed once preshear is stopped depending on the intensity of interactions and volume fraction. After that the evolution of rheometric quantities with resting time are attributed to very local rearrangement not detectable with microscopy


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