Mécanique des matériaux granulaires fibrés – FiLiGran

L'ajout de fibres à un matériau granulaire est un moyen économique, écologique et efficace de renforcer sa résistance mécanique. Cette stratégie est largement utilisée dans les applications de génie civil pour lutter contre l’érosion des sols et pour développer des bétons à hautes performances, avec l'inconvénient de réduire la "maniabilité" du matériau. D'un point de vue physique, l'enchevêtrement entre les fibres flexibles et les grains rigides provoque un fort couplage qui augmente la contrainte seuil du matériau au-delà de la pression de confinement, confère une résistance aux efforts de traction, entrave les écoulements extensionnels et donne lieu à une anisotropie induite par cisaillement. Tous ces phénomènes soulèvent la question de savoir si le comportement des matériaux granulaires renforcés par des fibres peut être déduit de la mécanique classique des milieux granulaires et des assemblées de fibres ou s'ils constituent une nouvelle classe de matériaux aux propriétés mécaniques distinctes ? Ce projet propose de répondre à cette question et de rationaliser la réponse mécanique et l'écoulement de ces matériaux. Dans ce but, nous réaliserons un ensemble d'expériences modèles avec des grains et des fibres ayant des propriétés physiques contrôlées. Dans un premier temps, nous étudierons les conditions de mélange permettant d'obtenir un échantillon homogène et nous caractériserons sa réponse mécanique dans la limite des déformations quasi-statiques. Le problème du mélange sera étudié en mesurant la distribution spatiale et la déformation des fibres à travers des grains transparents immergés dans un fluide de même indice optique au cours d'un protocole de préparation typique. La réponse mécanique de l'échantillon sera étudiée en compression et en traction à l'aide d'une machine de traction. Ces mesures permettront de déterminer comment les contraintes seuil des matériaux granulaires fibrés dépendent des paramètres physiques de ce problème tels que l'élasticité des fibres, leur fraction volumique et la friction entre fibres. Dans un deuxième temps, nous étudierons le comportement de ces matériaux dans différentes configurations d’écoulement. Nous caractériserons d’abord leur réponse à un cisaillement simple en utilisant un rhéomètre dédié qui permet d’imposer la pression normale. Ces mesures, combinées à l’analyse dimensionnelle du problème, nous permettra de proposer une formulation rhéologique pour les matériaux granulaires contenant des fibres. On testera le domaine de validité de ces lois rhéologiques en comparant leur prédictions dans différentes configurations d'écoulement (plan incliné, effondrement gravitationnel d'une colonne, impact rapide d'un objet à la surface, etc.) aux observations expérimentales. Cette démarche permettra de quantifier l'importance de différents phénomènes tels que la présence d'un gradient de cisaillement, d'une surface libre et de la non-stationnarité dans les écoulements réels. Enfin, nous chercherons un modèle théorique permettant de prédire le comportement des matériaux granulaires fibrés. Cette étape nécessitera de décrire le couplage entre les grains et les fibres à l'échelle mésoscopique et bénéficiera de simulations DEM qui nous fourniront des informations précieuses sur l'évolution de la distribution des contacts au cours de la déformation du matériau. Finalement, le projet FiLiGran apportera une compréhension fondamentale du comportement mécanique et de l’écoulement des matériaux granulaires fibrés. Cette compréhension favorisera le développement de techniques de renforcement par des fibres afin de réaliser des infrastructures qui sont compatibles avec les enjeux du développement durable. Les résultats du projet seront également diffusés au grand public et aux étudiants et contribueront à accroître leur engouement pour les sciences.