Caractérisation du potentiel de ségrégation des particules colloidales et non-colloidales des suspensions cimentaires sous cisaillement

Characterization of segregation potential of colloidal and non-colloidal particles of cement suspensions under shearing

• Auteur / Autrice : Ba Tung Pham
• Direction : Jean-Louis Gallias, Sébastien Rémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Gallias, Sébastien Rémond, Sofiane Amziane, Arnaud Perrot, Sandrine Mansoutre, Anne Pantet, Alexandre Pierre, Abdelhak Kaci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sofiane Amziane, Arnaud Perrot

Mots clés

Mots clés libres

L’état frais

Propriétés rhéologiques

L’état durci

Segregation

State of hardening

Rheological properties

State of freshing

Segregation

Résumé

L’objectif de ce travail est d’étudier le phénomène de ségrégation des particules colloïdales et non-colloïdales dans les suspensions cimentaires sous cisaillement et de déterminer un critère rhéométrique quantitatif capable d’évaluer leur ségrégabilité pendant les essais de caractérisation rhéologique.Afin de répondre à cet objectif, nous appliquons une méthodologie spécifique permettant, d’une part, la caractérisation rhéologique des suspensions cimentaires sous cisaillement en utilisant un rhéomètre à cylindres coaxiaux et, d’autre part, le suivi de leur état de stabilité au cours de la caractérisation. Le protocole expérimental se compose de deux cycles identiques et de différents paliers de gradient de cisaillement décroissant, permettant la caractérisation rhéologique des suspensions. L’essai rhéométrique a été effectué systématiquement deux fois en faisant varier l’entrefer vertical entre le mobile et le récipient. La caractérisation rhéologique des suspensions a été associée à plusieurs mesures de masse volumique dans les différentes parties du rhéomètre à des moments caractéristiques de l’essai rhéométrique permettant le suivi de la stabilité et l’évaluation quantitative d’une éventuelle ségrégation. L’ensemble des résultats a permis de définir un critère de ségrégabilité basé uniquement sur les mesures rhéométriques permettant de quantifier la ségrégabilité des suspensions cimentaires pendant la caractérisation rhéologique à cause du cisaillement. Les résultats rhéométriques entre deux configurations géométriques de dispositifs de cisaillement ont été comparés afin d’étudier l’influence des caractéristiques géométriques des rhéomètres à cylindres coaxiaux sur le potentiel de ségrégation des particules cimentaires (colloïdales) et des billes de verre sphériques (non-colloïdales). Les différences observées ont été analysées à l’aide de simulations numériques des écoulements dans chaque configuration à l’aide du logiciel COMSOL MULTIPHYSICS.Il a été montré que l’effet du fond influe significativement sur les résultats rhéométriques des suspensions cimentaires entrainant une modification de cette méthodologie selon la configuration. De plus, pour la configuration utilisée dans le cadre de ce travail, la ségrégation des particules devient plus prononcée au 2e cycle au lieu du 1er cycle signifiant un retard de ségrégation dans ce cas. Ce retard est dû aux rainures de grandes dimensions sur les parois des cylindres comparativement à l’entrefer horizontal qui entraine un écoulement turbulent du fluide dans le rhéomètre empêchant la ségrégation des particules. La simulation numérique a aussi montré que le potentiel de ségrégation des particules est influencé principalement par la présence ou pas de rainures sur la paroi du récipient. D’autre part, l’introduction des billes de verre, considérées comme les particules non-colloïdales, n’influence pas la ségrégation des particules colloïdales. Les coulis ségrégatifs peuvent se diviser entre deux types : faiblement ségrégatif où la ségrégation des billes n’a pas lieu ; fortement ségrégatif où les billes commencent à ségréger. Ces constats ont été confirmés par l’analyse comparative de la variation du critère de ségrégabilité au cours des essais rhéométriques entre les coulis avec et sans billes.

The aim of this work is to study the phenomenon of segregation of colloidal and non-colloidal particles in sheared cementitious suspensions and to determine a quantitative rheometric criterion capable of evaluating their segregability during rheological characterization tests.In order to meet this objective, we apply a specific methodology allowing, on the one hand, the rheological characterization of cementitious suspensions under shear using a rheometer equipped with coaxial cylinders and, on the other hand, the monitoring of their state of stability during characterization. The experimental protocol consists of two identical cycles and different decreasing shear gradient steps, allowing the rheological characterization of the suspensions. The rheometric tests were performed systematically twice by varying the vertical gap between the mobile and the container. The rheological characterization of the suspensions has been associated with several density measurements in the different parts of the rheometer at characteristic moments of the rheometric test for monitoring the stability and quantitative evaluation of possible segregation. All the results made it possible to define a segregation criterion based solely on the rheometric measurements making it possible to quantify the segregability of the cementitious suspensions during the rheological characterization because of the shear. The rheometric results between two geometrical configurations of shearing devices were compared in order to study the influence of the geometrical characteristics of coaxial cylinder rheometers on the segregation potential of cementitious (colloidal) particles and spherical glass beads(non-colloidal). The observed differences were analyzed using numerical flow simulations in each configuration using the COMSOL MULTIPHYSICS software.It has been shown that the effect of the bottom has a significant influence on the rheometric results of the cement suspensions causing a modification of this methodology according to the configuration. In addition, for the configuration used in this work, the segregation of the particles becomes more pronounced in the second cycle instead of the 1st cycle signifying a segregation delay in this case. This delay is due to the large serrations on the walls of the cylinders compared to the horizontal gap which causes a turbulent fluid flow in the rheometer preventing the segregation of the particles. Numerical simulation has also shown that the particle segregation potential is mainly influenced by the presence or absence of grooves on the container wall. On the other hand, the introduction of glass beads, considered as non-colloidal particles, does not influence the segregation of the colloidal particles. Segregative grouts can be divided into two types: weakly segregative where segregation of the beads does not occur; highly segregative where the beads begin to segregate. These findings were confirmed by the comparative analysis of the variation of the segregability criterion during the rheometric tests between grouts with and without beads.