Suspensions à seuil : de la microstructure au comportement – SUSPASEUIL

De nombreux matériaux (bétons frais, laves torrentielles…) se présentent sous la forme de suspensions concentrées de particules très polydisperses dans un fluide visqueux. Ces matériaux se comportent des fluides à seuil : ils ne coulent que si une contrainte suffisamment élevée leur est appliquée. Lorsqu’une nette séparation d'échelle existe entre les particules, on peut considérer ces matériaux comme des suspensions de grains (non colloïdaux) dans un fluide à seuil (la pâte colloïdale). Une bonne connaissance des propriétés rhéologiques de ces matériaux en fonction de leur composition est fondamentale pour maîtriser leur mise en œuvre (matériaux industriels) et pour prédire les risques naturels (écoulements géophysiques). A ce jour, ces matériaux n'ont fait l’objet que d’études spécifiques à des domaines d’application donnés : une compréhension globale de leur comportement reste donc à construire. Pour cela, il est crucial de caractériser leur microstructure, leurs propriétés macroscopiques et les liens unissant ces grandeurs. En effet, la répartition des particules et leur orientation au sein d'un volume de suspension dépendent de l'histoire de déformation qui dépend elle-même des caractéristiques macroscopiques de la suspension, qui sont des fonctions de la microstructure. Par ailleurs, à forte concentration en particules, des réseaux de contacts sont susceptibles de se former entre les particules, ce qui peut conduire à des phénomènes de blocage.
L'objet final de notre projet est de formuler une loi de comportement macroscopique d'une suspension à seuil intégrant une caractérisation de sa microstructure et de ses évolutions. Comme il n'existe pas à ce jour de méthodes rhéométriques standard permettant de caractériser les anisotropies structurelles et macroscopique d'un matériau, et face à la difficulté de prendre en compte le comportement non linéaire du matériau interstitiel, nous proposons le développement d’outils expérimentaux, numériques et théoriques originaux, dont le couplage permettra d'atteindre cet objectif.
Nous étudierons le comportement de suspensions à seuil à l’aide d’un test rhéologique qui permet d’appliquer des sollicitations tridimensionnelles. Nous caractériserons ainsi l'anisotropie du comportement macroscopique pour une microstructure donnée, obtenue pour une histoire de déformation contrôlée. Nous développerons d’autre part un dispositif rhéométrique inséré dans un microtomographe X, ce qui nous permettra d’accéder à la microstructure d'une suspension en fonction de son histoire de déformation. Un outil de simulation des écoulements des suspensions à seuil permettant notamment de prédire sa microstructure et ses évolutions en fonction des sollicitations qui lui sont appliquées sera par ailleurs mis au point ; son point fort sera son optimisation et sa validation par confrontation aux expériences évoquées ci-dessus. Enfin, le lien entre microstructure et comportement macroscopique sera établi par une approche de changement d’échelle, et sera validé expérimentalement puis numériquement dans des situations complexes. Au final, ces études couplées devraient nous permettre d’établir le lien entre microstructure et comportement macroscopique d’une part puis entre histoire de déformation du matériau et évolutions de microstructure d’autre part, ce qui nous permettra finalement d'élaborer un modèle complet de comportement macroscopique de suspension à seuil validé expérimentalement. Ce domaine étant pour l’essentiel inexploré, nous nous limiterons dans ce projet à un travail fondamental sur des matériaux modèles, constitués de particules sphériques monodisperses suspendues dans des fluides à seuil modèles, tout en proposant une validation des outils développés sur des matériaux cimentaires. Les outils originaux développés dans le cadre de ce projet et leur aptitude à permettre la modélisation du comportement des matériaux modèles ouvriront naturellement la porte à des études de matériaux plus complexes.