Recherche Avancée

Thèse soutenue

Fracture et fracturation des pâtes et des gels

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Auteur / Autrice : Mohamed-Yehdih Ould Mihamed Abdelhaye
Direction : Henry Van Damme
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique - Chimie
Date : Soutenance en 1996
Etablissement(s) : Orléans

Résumé

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Ce travail est une étude des phénomènes de rupture dans la matière molle. Les milieux étudiés sont des dispersions de particules colloïdales (argiles) ou non colloïdales (ciments, mortiers) en milieu aqueux, en absence ou en présence de polymères. On peut obtenir de la sorte des milieux à caractéristiques rhéologiques très diverses : des fluides à seuil rhéofluidifiants (suspensions de bentonite), des gels fragiles (gels de laponite), ou des pâtes à plasticité presque parfaite (colles granulaires). Deux modes de rupture ont été explores : l'arrachement, par écartement de deux surfaces enserrant une couche de fluide ou de pâte, ou la fracturation hydraulique, par injection d'un liquide peu visqueux dans un gel. Dans la première partie du travail, nous avons d'abord étudié qualitativement le mode de rupture dans le test d'arrachement. Dans tous les cas que nous avons étudiés, la rupture est cohésive (à quelques exceptions près, avec les gels). La déformation se fait par écoulement vers le centre et élongation axiale dans le cas des fluides newtoniens ou non-newtoniens, par glissement et déformation axiale dans le cas des gels et par élongation axiale, cavitation et rupture dans le cas des pates plastiques. Dans le cas des fluides non-newtoniens, l'écoulement centripète s'accompagne d'une instabilité interraciale du même type que l'instabilité de digitation visqueuse en cellule de hele-shaw. Nous avons ensuite étudié le profil des surfaces de rupture obtenues avec les pâtes plastiques, pour lesquelles l'écoulement vers le centre est très limité. De nombreux résultats de la littérature montrent que les surfaces de rupture -fragile ou ductile- de matériaux solides comme les aciers, les bétons ou les plastiques, possèdent des propriétés auto-affines. Qui plus est, il semblerait que l'exposant de rugosité caractérisant cette auto-affinité ait une valeur universelle de 0. 88. Nous avons montré que les surfaces de rupture de pâtes à plasticité quasi-parfaite étaient également auto-affines, avec le même exposant de rugosité, ce qui étend encore l'universalité de cet exposant. L’origine de cette universalité reste incomprise. Dans une seconde partie, nous avons étudié la relation force d'adhérence - déformation axiale au cours de l'arrachement, en fonction des caractéristiques rhéologiques du milieu, en prenant comme référence le cas des fluides newtoniens. La force commence par croitre très rapidement, passe par un maximum, puis décroit plus lentement. C’est la loi de décroissance qui est caractéristique du fluide et des conditions d'arrachement. Dans le cas des fluides newtoniens, la force décroit selon une loi algébrique. On distingue deux régimes, caractérisés par deux exposants différents : à faible vitesse d'écartement, la décroissance est contrôlée par la dépression de Laplace tandis qu'à forte vitesse, elle est contrôlée par les effets de dissipation visqueuse. Il en va de même pour les fluides non-newtoniens, malgré l'instabilité interraciale. Pour la rupture des pâtes plastiques, la décroissance est exponentielle, ce qui peut s'expliquer dans la mesure où l'on admet que la rupture est provoquée par l'apparition de défauts de cavitation, avec une probabilité qui ne dépend que de la vitesse de déformation. Enfin, dans une dernière partie, nous avons montré qualitativement que l'injection d'un fluide peu visqueux dans un gel provoquait un phénomène de fracturation hydraulique analogue à celui obtenu, dans des conditions infiniment plus sévères, dans les roches. La fracturation est multiple, les plans de fracture sont branches et le mode de fracture est mixte i-iii. Certaines de ces caractéristiques sont vraisemblablement liées à la vitesse de propagation élevée des fissures par rapport à la vitesse des ondes de cisaillement.