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