Comportements rhéologiques de suspensions concentrées

Comportements rhéologiques de suspensions concentrées 

Définitions de concepts et grandeurs rhéologiques

Avant d’expliquer plus précisément le comportement de suspensions concentrées, quelques définitions doivent être mises en place. Suspensions : Ces matériaux sont composés de deux familles d’éléments de tailles et de comportements très différents: les molécules du milieu continu et les particules en suspensions.

Lorsque la concentration de solide en suspension devient importante, la suspension peut être considérée comme un empilement désordonné de particules qui restent en contact grâce à des interactions de type Van der Waals [8]. Viscosité dynamique : La viscosité dynamique peut-être expliquée de la façon suivante. On considère l’écoulement stationnaire d’un fluide situé entre deux plaques, parallèles entre elles et séparées d’une distance a. Une plaque est maintenue fixe et l’autre se déplace à une vitesse V0 .

Il existe aussi une rupture de pente survenant dans les suspensions concentrées [17] avant l’apparition de la transition d’encombrement (jamming) [18]. Cette augmentation de viscosité sous fort cisaillement a été observée sur d’autres types de matériaux présentant du jamming. A haute fraction volumique, la séparation des particules est très petite et est fortement affectée par la position relative des particules. L’explication la plus courante est le changement de disposition spatiale relative. « Le phénomène peut être dû à un commencement d’écoulement turbulent, qui oblige les particules à quitter leur distance plus ou moins uniforme et à se collecter dans les espaces vides. » [19]. La théorie d’Hoffman [20] explique que l’apparition de cette augmentation est due à une instabilité du flux à taux de cisaillement important. Il a en effet prouvé par des observations directes en diffraction, qu’à bas taux de cisaillement, les suspensions forment des lamelles en 2D, sous l’influence de l’écoulement, et qu’à une valeur critique de taux de cisaillement, ces lamelles commencent à se désorganiser en un réseau 3D aléatoire. Cette instabilité provoque une rupture de l’ordre des couches et les particules se bloquent les unes avec les autres. Lorsqu’il y a un excès de particules alignées, le long de l’axe de compression, le système peut être complètement bloqué. Les paramètres qui contrôlent le rhéoépaississement (jamming) sont [21] :
• Les particules : leur distribution de taille, leur fraction volumique, la forme des particules, les interactions avec les autres particules.
• La phase continue (solvant) : Sa viscosité
• Le type d’écoulement : le type de déformation vue par les particules, le taux et le temps de déformation.

Ainsi le taux de cisaillement critique auquel apparaît le jamming diminue lorsque la fraction volumique augmente. Le taux de cisaillement critique tend vers 0 pour les fractions volumiques de l’ordre de 60% pour les systèmes monodisperses. Une diminution de la taille des particules entraîne un rhéoépaississement à taux de cisaillement plus haut. Une distribution de taille plus large des particules permet d’obtenir une fraction volumique maximale plus haute ce qui a pour conséquence un taux de cisaillement critique plus élevé et un effet rhéoépaississant plus faible. Plus la forme des particules est anisotrope, plus le rhéoépaississement est facilement atteint. Le jamming est alors observé sur une gamme de fraction volumique plus importante. En ce qui concerne les interaction particule-particule, le rhéoépaississemnt prend place seulement quand les suspensions sont déflocculées et qu’il n’y a pas d’attractions globales des particules. La viscosité d’une suspension étant dépendante de la viscosité du solvant (cf. Equation (1.1)), le rhéoépaississement est forcément dépendant de la nature du solvant.

Pour la modélisation et les calculs, le modèle rhéologique le plus communément utilisé pour le rhéoépaississement est une loi puissance, avec la contrainte et la viscosité relié au taux de cisaillement. Eastwood et Barnes [21] estimaient les deux régions (rhéofluidification et rhéoépaississement) en utilisant la somme de deux lois puissance avec une valeur d’exposant < 1 et une autre valeur > 1.

Systèmes bidisperses : Une nouvelle composante, la taille des grains

Théorie de la séparation des contributions des fines et des grosses particules
Le comportement rhéologique des suspensions bidisperses a été a été décrit par Farris [10] pour un rapport de diamètres entre les grosses et les petites particules supérieur ou égal à 10. Dans ces conditions, la suspension de petites particules peut être considérée vis-à-vis des grosses particules comme un liquide pur de même viscosité et de même densité que cette suspension. La viscosité de la solution bimodale peut alors être calculée à partir de la viscosité de chaque suspension unimodale car le comportement des deux tailles de particules est indépendant l’un de l’autre. Lorsqu’on regarde la suspension de particules fines seule, nous avons alors : ηRf = ηf / η0

Avec
ηRf : viscosité relative de la suspension unimodale par rapport au liquide pur.
ηf : viscosité de la suspension unimodale
η0 : viscosité du liquide suspendant.

On rajoute alors des grosses particules à la suspension de fines particules. La suspension précédente devient alors le liquide suspendant. On obtient alors :

ηRc = ηc/ηf = (ηc/η0) * (η0/ηf)

Avec ηRc : Ratio entre la viscosité de la suspension bimodale ηc et la viscosité du fluide contenant seulement les petites particules. La viscosité relative de la suspension bimodale ηR devient alors :

ηR =ηc/η0 = ηRc ηRf

D’autres chercheurs ont voulu améliorer ce modèle. Ainsi, Zaman et Mougdil [22] ont remplacé la variable ηRc par une autre fonction G(Φc) [22], [14]. Elle prend en compte les effets des forces hydrodynamiques et les interactions entre particules. G(Φc) peut être calculée à partir de la viscosité de la suspension bidisperse et de la viscosité des particules fines avant l’addition des grosses particules et est la fonction de viscosité relative pour les grosses particules.

D’Haene et Mewis ont développé aussi une méthode pour déterminer la viscosité des suspensions colloïdales bimodales de ratios de tailles importants à partir de la viscosité des systèmes monodisperses. Ce modèle est aussi basé sur la séparation des contributions des fines et des grosses particules mais utilise une fraction volumique effective pour les particules fines. Cette fraction volumique effective est définie comme le ratio du volume effectif occupé par les fines particules sur le volume disponible pour les fines particules dans la suspension. Ce modèle, appliqué à des suspensions bimodales de particules de polyméthacrylate de méthyle de diamètre 129 et 823 nm, donnait un bon accord avec les viscosités expérimentales [14]. Cependant, ce modèle, tout comme celui de Farris, fournit des valeurs très différentes des valeurs mesurées expérimentalement pour des ratios de taille petits. Les deux figures [22] comparent ces deux modèles aux valeurs expérimentales.

Les résultats trouvés par Rodriguez et al. [23] indiquent que les viscosités relatives limites (les plus hautes et les plus basses) sont indépendantes de la taille des particules. Par contre, dans le cas de forces colloïdales fortes, ce paramètre devient très important. De même, ces auteurs observent un minimum de viscosité des suspensions bimodales lorsque la fraction de petites particules est de l’ordre de 25%. Ce pourcentage est du même ordre de grandeur que celui trouvé par De Larrard (cf. partie1.1.3). Ce minimum de viscosité correspond à l’empilement optimal des suspensions bidisperses.

Table des matières

INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1. CHOIX DE SYSTEMES MODELES
1.1 DESCRIPTION DU CIMENT
1.2 SUSPENSIONS DE PARTICULES DE SILICE MONODISPERSE
1.3 SUSPENSIONS DE PARTICULES BIDISPERSES DE SILICE
1.4 SUSPENSIONS DE QUARTZ POLYDISPERSES DANS DE L’EAU DE CHAUX
2. COMPORTEMENTS RHEOLOGIQUES DE SUSPENSIONS CONCENTREES
2.1 DEFINITIONS DE CONCEPTS ET GRANDEURS RHEOLOGIQUES.
2.2 SYSTEMES MONODISPERSES : UNE COMPOSANTE, LA FRACTION VOLUMIQUE
2.3 SYSTEMES BIDISPERSES : UNE NOUVELLE COMPOSANTE, LA TAILLE DES GRAINS
2.4 SYSTEMES POLYDISPERSES : MODELES RHEOLOGIQUES
3. CHOIX DU TYPE DE POLYMERE : CONTROLE DE LA RHEOLOGIE
3.1 LES SUPERPLASTIFIANTS TRADITIONNELS
3.2 CHOIX DES POLYMERES ADAPTATIFS
PARTIE 2 : MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES
1. DESCRIPTION DU CIMENT UTILISE
2. DESCRIPTION DU QUARTZ UTILISE
3. SYNTHESE DES POLYMERES
3.1 CARACTERISATION DES PRODUITS UTILISES POUR LA SYNTHESE
3.2 MECANISME DE GREFFAGE DES COPOLYMERES POEM ET POPM SUR LE PMAA.
3.3 CARACTERISATION PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE (RMN) DU PROTON DE L’ACIDE POLYMETHACRYLIQUE GREFFE.
4. SYNTHESE DE PARTICULES DE SILICE MONODISPERSES.
4.1 PRINCIPES GENERAUX ET TYPES DE SYNTHESES DE PARTICULES DE SILICE.
4.2 PARTIE EXPERIMENTALE.
4.3 CARACTERISATION DES PARTICULES DE SILICE OBTENUES.
5. RHEOMETRIE
5.1 DESCRIPTION DU RHEOMETRE : RHEOMETRE AR1000
5.2 CHOIX DES GEOMETRIES.
5.3 ETUDE EN ECOULEMENT PERMANENT
5.4 ETUDE EN MODE OSCILLATOIRE
6. MESURES D’ADSORPTION
6.1 FONCTIONNEMENT DE L’ANALYSEUR DE CARBONE ORGANIQUE TOTAL (COT)
6.2 ETALONNAGE
6.3 ANALYSE DE L’ADSORPTION DU POLYMERE SUR LES DIFFERENTS SYSTEMES
6.4 CONCLUSION
PARTIE 3 : RHEOLOGIE DES SYSTEMES SEPARES
1. CARACTERISTIQUES RHEOLOGIQUES DES POLYMERES THERMOASSOCIATIFS
1.1 GENERALITES : REGIMES DE CONCENTRATION DANS LES SOLUTIONS MACROMOLECULAIRES ET
DETERMINATION DE LA CONCENTRATION DE RECOUVREMENT C*.
1.2 ETUDE RHEOLOGIQUE DU PMAA-POEM.
1.3 ETUDE RHEOLOGIQUE DE DEUX POLYMERES PMAA GREFFES POPM.
1.4 COMPARAISON DES DEUX TYPES DE POLYMERES
2. CIMENT SEUL
2.1 EN MODE OSCILLATOIRE
2.2 EN ECOULEMENT
3. SUSPENSIONS CONCENTREES DE SILICE MONODISPERSES ET BIDISPERSES DE SILICE
3.1 PARTICULES DE SILICE DE 400 NM
3.2 PARTICULES DE SILICE 900 NM
3.3 ECHANTILLON BIDISPERSE
3.4 COMPARAISON SUSPENSION MONODISPERSE / BIDISPERSE : AUGMENTATION DE LA FLUIDITE PAR LE
CONTROLE DE LA GRANULOMETRIE
4. SUSPENSIONS POLYDISPERSES DE QUARTZ
4.1 ETUDE RHEOLOGIQUE DES SUSPENSIONS DE QUARTZ EN MODE OSCILLATOIRE
4.2 ETUDE RHEOLOGIQUE DES SUSPENSIONS DE QUARTZ EN ECOULEMENT.
5. COMPARAISON DES SYSTEMES MODELES AU CIMENT.
5.1 EN ECOULEMENT PERMANENT
5.2 EN MODE OSCILLATOIRE
PARTIE 4 : ADSORPTION ET RHEOLOGIE DES MELANGES SUSPENSIONS COLLOÏDALES / POLYMERE THERMOASSOCIATIF
1. ADSORPTION DU POLYMERE PMAA-POPM SUR LES SUSPENSIONS COLLOÏDALES
1.1 PARTICULES DE CIMENT
1.2 ADSORPTION SUR LES PARTICULES DE SILICE DE DIAMETRE 900 NM
1.3 ADSORPTION SUR LES PARTICULES DE QUARTZ
2. RHEOLOGIE
2.1 SUSPENSIONS DE SILICE EN PRESENCE DE POLYMERE
2.2 SUSPENSIONS DE QUARTZ EN PRESENCE DE POLYMERE
2.3 SUSPENSIONS DE CIMENT EN PRESENCE DE POLYMERE
3. COMPARAISON EN PRESENCE DE POLYMERE DU COMPORTEMENT DES SYSTEMES MODELES ET DE
CELUI DES PATES DE CIMENT.
3.1 EN ECOULEMENT
3.2 EN MODE OSCILLATOIRE
CONCLUSION

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