Physico-chemical study of calcite colloidal suspensions : from macroscopic rheology to microscopic interaction

par Teresa Liberto

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Colombani, Catherine Barentin et de Marie Le Merrer.

Soutenue le 19-09-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Laurence Ramos.

Le jury était composé de Jean Colombani, Catherine Barentin, Marie Le Merrer, Loïc Vanel, Joachim Schoelkopf.

Les rapporteurs étaient Philippe Coussot, Isabelle Pochard.

  • Titre traduit

    Étude des propriétés de suspensions colloïdales de calcite de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique


  • Résumé

    La calcite (carbonate de calcium) est un matériau extrêmement répandu dans les roches telles que le marbre et comme constituant dans des domaines variés (bâtiment, pharmacie, papier, art). La compréhension des propriétés mécaniques des suspensions de calcite constitue une étape importante pour améliorer à la fois leur maniabilité ainsi que les propriétés finales du matériau fabriqué. Cette étude relie les propriétés rhéologiques (élasticité, écoulement) de ces suspensions à leurs interactions microscopiques. Les interactions attractives entre particules de calcite confèrent aux pâtes les propriétés de gels colloidaux caractérisés par un module élastique et une déformation critique, et ce pour une large gamme de concentrations. L'étude de ces grandeurs en fonction de la concentration a permis de mettre en évidence pour la première fois l'existence de deux régimes de déformation (liens forts et faibles) prédits théoriquement et de caractériser la dimension fractale. L'étude des interactions a été réalisée grâce à la mesure du potentiel Zeta des pâtes, du pH et au calcul de la longueur de Debye résultant de la force ionique. L'ajout d'additifs tels que la chaux ou la soude modifie les interactions. La chaux réduit fortement l'élasticité initiale des pâtes, facilitant leur maniabilité et renforçant la réactivité de la pâte en présence de CO2. L'ajout de soude augmente fortement l'attraction entre les particules ce qui se traduit à l'échelle macroscopique par l'existence de bandes de cisaillement. Cette manifestation de l'attraction entre colloïdes à l'échelle macroscopique avait été observée dans des émulsions concentrées mais encore jamais dans les gels colloïdaux


  • Résumé

    Calcite (calcium carbonate) is an extremely widespread material that can be found naturally in rocks (i.e. marble, limestone) and is employed in many industrial fields such as paper filling, pharmaceutical, art or construction. Understanding the mechanical properties of calcite suspensions is a first step to improve the workability of the paste as well as the final properties of solid mineral materials. Macroscopic characterization of calcite suspensions via rheological measurements are linked to microscopic interactions, via DLVO analysis. Our calcite pastes are weakly attractive systems showing a typical colloidal gel behavior and characterized by an elastic shear modulus and a critical strain. The elastic domain of pure calcite suspensions is characterized for a wide range of volume concentrations. The deformation at the end of linearity exhibits a minimum versus concentration, a major prediction of colloidal gel theory, never verified so far. The interaction forces between particles are tuned by addition of simple ionic species. Rheological measurements are analyzed through DLVO calculations, obtained by chemical speciations and ζ potential measurements on dense suspensions. Addition of calcium hydroxide improves initially the workability of the paste, enhancing the reactivity when in contact with CO2. The role of interaction forces is also evaluated with flow measurements. The addition of sodium hydroxide increases strongly the attraction between particles, inducing shear bands at the macroscopic scale. This correlation is well known for emulsions but never verified so far for colloidal gels


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