Propriétés mécaniques et physiques d’agglomérats granulaires non saturés

Un château de sable se construit avec un sable humide. Si le sable était sec, il n’aurait pas la tenue suffisante. Cette tenue s’explique par la présence de ponts liquides (capillaires) qui lient les grains entre eux. La quantité d’eau doit être suffisante pour que le réseau de ponts capillaires s’étende dans tout le matériau, mais ne doit pas être trop grande afin de maintenir la présence d’air nécessaire pour le maintien de la tension capillaire à l’interface liquide-air. Des matériaux du même type que ce sable humide ont des applications dans les domaines de la construction (enduits, ciment frais), de la géotechnique (stabilité des sols) ou dans des procédés industriels afin par exemple de rassembler de la matière pulvérulente en granules plus facilement utilisables ou, au contraire, pour les disperser dans des procédés de malaxage. Dans ces applications, les agglomérats sont souvent assujettis à des sollicitations dynamiques (écoulements inertiels, impacts) qui mobilisent également des forces de lubrification et perturbent l’équilibre thermodynamique des phases fluides.

Les propriétés rhéologiques des agglomérats hors d’équilibre et sous l’effet des actions dynamiques sont encore mal connues. Il est donc aujourd’hui important d’améliorer notre compréhension des propriétés de ce type de matériaux pour des questions fondamentales relatives au comportement de ces systèmes hétérogènes et dynamiques et aussi en vue de nombreuses applications de forte valeur ajoutée pour l’industrie (par exemple pour l’élaboration de nouveaux matériaux) et importantes pour la modélisation des processus environnementaux, comme l’érosion des sols ou des côtes.

L’objectif de cette thèse est de déterminer l’influence des propriétés rhéologiques du fluide interstitiel sur le comportement dynamique d’agglomérats constitués de grains humides et de développer une approche numérique pour leur simulation et l’analyse à l’échelle des particules.
Les expériences et des simulations numériques seront réalisées en parallèle. \

Dans les expériences, les agglomérats seront constitués de billes de verre (dont le diamètre sera ajusté, entre 50 microns et 1 millimètre) mélangées avec un fluide modèle aux propriétés rhéologiques contrôlées (newtonien, rhéofluidifiant, rhéoépaississant ou viscoélastique). Les agglomérats obtenus seront de forme sphérique, de différents diamètres (de l’ordre du centimètre).
Les expériences consisteront (i) à comprimer radialement les granules sous différentes vitesses de compression et (ii) à les laisser tomber sur une surface non frottante avec différentes vitesses d’impact. Les mesures de force se feront à l’aide d’un rhéomètre, et les déformations seront suivies à l’aide d’une caméra rapide. Les simulations numériques s’appuieront (i) sur la méthode des éléments discrets (DEM) couplée avec la méthode Lattice-Boltzmann (LBM) pour modéliser dans un premier temps un pont capillaire unique, (ii) sur la méthode DEM, en remplaçant la méthode LBM par le potentiel d’interaction entre deux particules (déterminé précédemment) dans les simulations impliquant la dynamique d’un agglomérats entier (compression ou impact). L’objectif de ces simulations est de valider l’approche numérique par la confrontation directe avec les expériences et l’utiliser pour comprendre l’influence des effets dynamiques sur le comportement d’un agglomérat à la fois à grande échelle et à l’échelle des particules.

La combinaison des deux approches (expérimentale et numérique) devrait permettre d’établir
des lois d’échelles dans des cas extrêmes (par exemple lorsque les vitesses ou les viscosités sont grandes), et d’obtenir un modèle prédictif dans les cas intermédiaires. L’accent sera mis sur la compréhension des lois établies à partir de la structure des agglomérats, et des interactions entre grains élémentaires.

Ce sujet de thèse s’adresse à des étudiants titulaires d’un Master 2 en lien avec la Physique et/ou la Mécanique des fluides ou des solides.

Encadrants : S. Mora et F. Radjai

serge.mora@umontpellier.fr
franck.radjai@umontpellier.fr

Propriétés mécaniques et physiques d’agglomérats granulaires cohésifs

Mots clés : matériaux ; milieux granulaires ; rhéologie ; élasticité\

Les matériaux granulaires cohésifs, constitués de particules solides maintenues entre elles par des forces de cohésion, touchent de nombreux domaines allant de la technologie des poudres aux couches sédimentaires en géologie. Les milieux granulaires humides non saturés (mélanges de grains, liquide et gaz) en constituent un exemple important : ils sont très répandus, et peuvent être vus comme des systèmes modèles.

Dans un milieu granulaire humide non saturé, les ponts liquides qui s’établissent entre les grains exercent cette force de cohésion. Les études portant sur ces matériaux considèrent essentiellement le cas où le comportement du liquide est celui d’un fluide newtonien. Si cette approximation semble judicieuse pour du sable humide, le liquide interstitiel présente bien souvent des propriétés rhéologiques complexes : il peut par exemple s’agir de fluides à seuil (comme la pâte de ciment lors de la préparation de béton frais) ou de fluides viscoélastiques (mise en forme de matières plastiques composites). Dans ces deux cas, le liquide présente des propriétés élastiques qu’il faut prendre en compte.

L’objectif du stage est d’étudier les effets provenant de l’élasticité du fluide interstitiel sur les propriétés mécaniques des matériaux granulaires cohésifs en étudiant un système modèle, constitué de petites billes de verre reliées entre elles par des ponts élastiques. Ce système sera étudié expérimentalement au moyen d’expériences de compression, et numériquement à l’aide de simulations développées au laboratoire. Différents paramètres (taille des billes de verre, nombre de ponts élastiques, élasticité des ponts, etc.) seront variés, et une comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques sera réalisée afin de déterminer les ingrédients physiques pertinents permettant de décrire le comportement du système.

Ce sujet de stage s’adresse à des étudiant(e)s titulaires d’un Master 2 en lien avec la Physique et/ou la Mécanique des fluides ou des solides.

Le stage pourra éventuellement se poursuivre par une thèse (contrat de 3 ans) au cours de laquelle des systèmes granulaires avec une plus grande variété de propriétés rhéologiques seront étudiés.

Encadrants : S. Mora et F. Radjai
serge.mora@umontpellier.fr
franck.radjai@umontpellier.fr
Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (CNRS et Université de Montpellier)\
Durée du stage : de 4 à 5 mois (durant le premier semestre 2020)