Contact and macroscopic aging in dense suspensions at the colloidal edge

par Francesco Bonacci

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Xavier Chateau et de Tarik Bourouina.

Soutenue le 26-11-2019

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 Eric M. Furst.

Le jury était composé de Xavier Chateau, Luca Cipelletti, Guillaume Ovarlez, Julie Goyon, Pascal Boustingorry, Anaël Lemaître.

Les rapporteurs étaient Luca Cipelletti, Guillaume Ovarlez.

  • Titre traduit

    Le vieillissement des contacts entre particules colloïdales et son effet sur la rhéologie des suspensions macroscopiques concentrées


  • Résumé

    Les suspensions (ou pâtes) colloïdales denses constituent une vaste catégorie de matériaux utilisés dans des domaines allant des systèmes environnementaux (tels que les limons, les argiles) à l'industrie (céramique, boues de forage, boues), à la construction (plâtre, ciments), aux produits alimentaires, aux cosmétiques, aux produits pharmaceutiques. Leur caractéristique la plus remarquable est la thixotropie: une lente évolution des propriétés mécaniques lors du passage du repos à l'écoulement (à densité fixe et sains drainage). Ainsi, leur viscosité sous écoulement, ou leur module de cisaillement et leur limite d'élasticité au repos, dépendent à la fois du temps et de l'histoire de chargement. Au repos, nous parlons généralement de vieillissement - une dynamique lente et non exponentielle pour des temps longs. Au cours des dernières décennies, des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension de la dynamique des suspensions dites "stabilisées", dans lesquelles la formation de contacts adhésifs est totalement évitée via la polarisation à double couche ou les effets d'épuisement des polymères. La microscopie confocale a joué un rôle déterminant dans ces progrès, mais ne peut être appliquée qu'aux systèmes transparents, et est donc limitée aux systèmes dans lesquels les forces de van der Waals sont absentes. Pendant ce temps, les études sur les suspensions "non stabilisées" ont eu tendance à se concentrer sur des systèmes très dilués (c.-à-d. quelques pour cent) où une évolution structurelle pourrait être imagée et ainsi analysée, par exemple par diffusion de lumière. L’énorme succès de ces études a créé un biais d’observation dans la mesure où, aujourd’hui, les travaux classiques sur les suspensions ne mentionnent que les dynamiques structurelles comme cause fondamentale de la thixotopie. Mais les pâtes de génie civil et environnemental sont denses et contiennent généralement des concentrations importantes d’ions; ils réduisent la répulsion coulombienne et permettent à des forces de van der Waals attrayantes d'amener des particules dans des contacts solide-solide susceptibles d'avoir un impact sur les propriétés macroscopiques et leur évolution par divers mécanismes. En effet, il est bien connu que la réponse macroscopique de matériaux granulaires non colloïdaux est affectée par le frottement par contact, qui dépend du temps. Dans les ciments, il a été proposé que la formation de gels hydratés entre les grains, qui détermine la résistance et les propriétés mécaniques du béton massif, joue un rôle dans la thixotropie. En fait, on ignore comment les contacts solide-solide peuvent affecter la rhéologie des systèmes colloïdaux. En concevant un test de flexion en trois points à piège optique, Pantina et Furst ont montré que les poutres de particules de PMMA et de polystyrène présentent un module de flexion fini, ce qui implique que les contacts formés entre les particules résistent à la rotation. Le module de flexion des barres de particules de polystyrène s'est ensuite révélé évoluer dans le temps. Ces deux éléments nous amènent à nous demander si l'évolution de la rigidité en flexion des contacts pourrait être responsable du vieillissement mécanique des pâtes, sans provoquer de modification de la structure du réseau. L'objectif de ce travail est d'étudier l'existence potentielle d'un lien entre le contact et le vieillissement macroscopique, en combinant des mesures effectuées au niveau des particules, par des tests de flexion à trois points à piège optique et par microscopie confocale, et à l'échelle macroscopique, par rhéométrie. Pour y parvenir, nous étudions des suspensions denses modèles composées de particules de silice et de PMMA dans des solutions aqueuses. Cela nous permet de bien contrôler un certain nombre de paramètres susceptibles d'affecter la rhéologie des suspensions réelles en régime dense, tels que la fraction volumique, la taille et la forme des particules ainsi que leurs interactions


  • Résumé

    Dense colloidal suspensions (or pastes) constitute a broad class of materials found in areas ranging from environmental systems (e.g. silts, clays), to industry (ceramics, drilling muds, slurries), construction (plaster, cements), foodstuff, cosmetics, pharmaceuticals (toothpaste, medical ceramics). Their most remarkable feature is thixotropy: a slow evolution of their mechanical properties when switching from rest to flow (at fixed density, in the absence of drainage). Thus, their viscosity under flow, or their shear modulus and yield stress at rest, depend both on time and strain history. Thixotropy enables these systems to switch reversibly between solid- and liquid-like states with sharply contrasted properties. At rest, it is usually accompanied with aging---slow, non-exponential dynamics at long times. In recent decades, tremendous progress has been made towards understanding the dynamics of so-called "stabilized" suspensions, in which the formation of interparticle adhesive contacts is fully avoided by tuning inter-particle interactions (via double-layer polarization, or polymer depletion effects). Confocal microscopy was instrumental to such progresses, yet may only be applied to transparent, i.e. nearly index matched, systems, hence is limited to systems in which van der Waals forces are absent. Meanwhile, studies of "non-stabilized" suspensions have tended to focus on very dilute systems (i.e. packing fractions at most a few percent) where a structural evolution (the formation of flocs) could be imaged and thus analyzed, e.g., using light scattering techniques. The tremendous success of these studies has created an observational bias as, today, classical works on suspensions only mention structural dynamics as the root cause of thixotopy. But the pastes of civil and environmental engineering, are dense and generally contain significant concentrations of ions; these screen Coulombic repulsion and allow attractive van der Waals forces to bring particles into solid-solid contacts, which are likely to impact macroscopic properties and their evolution by a number of mechanisms. Indeed, it is well-known that, the macroscopic response of non-colloidal granular materials, is affected by contact friction, which is time- dependent. In cements, the formation of hydrate gels between grains, which determines the late-time strength and mechanical properties of solid concrete, was proposed to play a role in thixotropy. In fact, it remains unclear how solid-solid contacts may affect just the elastic modulus of colloidal systems. By designing an optical trap three-point bending test, Pantina and Furst showed that beams of PMMA and polystyrene particles present a finite flexural modulus, which entails that the contacts formed between particles resist rotation. The flexural modulus of polystyrene particle rods was later shown to evolve in time. These two elements lead us to ask whether the evolution of the contact bending stiffness could be responsible for mechanical aging in pastes, without invoking changes in the network structure. This work aims to investigate the potential existence of a link between contact and macroscopic aging, by combining measurements performed at the particle level, through optical-trap three-point bending tests and confocal microscopy, and at the macroscopic scale, through rheometry. To achieve it, we study the aging behavior of model dense colloidal suspensions composed of silica (SiO2) and PMMA particles suspended in divalent electrolyte aqueous solutions, at moderate concentrations. The use of model ionic systems enables us to carefully control a number of parameters expected to affect the rheology of real suspensions in the dense regime, such as the volume fraction, the size and the shape of the particles and the magnitude of the interactions


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