MATETPRO - Matériaux et Procédés pour Produits Performants

Optimisation des Propriétés Fonctionnelles des Matériaux Aérés Particulaires – ProMAP

Matériaux particulaires moussés

Optimisation des propriétés fonctionnelles des matériaux particulaires moussés

Enjeux et Objectifs

Ce projet traite les problématiques des Matériaux Aérés dits Particulaires (MAP), rencontrées sous forme de mousses et issus de l’aération des pâtes granulaires, telles que les pâtes de ciment ou de plâtre, par exemple. Leur potentiel de développement est très important dans le domaine de la rénovation thermique des bâtiments, en tant que substituant incombustible aux mousses organiques actuellement utilisées. Toutefois, pour hisser leur performance thermique au niveau de celle des mousses organiques, un effort de recherche doit être entrepris pour augmenter autant que possible la fraction d’air incorporé. <br />L’objectif le plus ambitieux est de comprendre le lien entre la microstructure de ces matériaux, induite par la présence des particules mélangées aux bulles d’air, et leurs propriétés fonctionnelles : mécanique, thermique et acoustique. Le deuxième objectif majeur est de comprendre et contrôler les mécanismes de déstabilisation qui œuvrent avant le durcissement du matériau et qui peuvent détériorer la microstructure mise en place au moment de la génération.

Nous menons une étude générale, basée sur des systèmes modèles (simplifiés), en cherchant à dégager quelques grands principes de formulation de ces assemblages complexes de particules et de bulles. L’avantage de tels systèmes est qu’ils permettent une étude paramétrique fine des propriétés des MAP durcis et non-durcis, ce qui n’a pas été possible lors des études antérieures. En particulier, il devient possible de quantifier l’impact de la granulométrie des particules de la pâte sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des MAP, et indépendamment des autres paramètres de formulation.
L’évolution temporelle de la morphologique de ces systèmes à l’état non-durci – c’est-à-dire entre le moment de leur génération et leur durcissement – qui pose très souvent de sérieuses difficultés dans le processus d’élaboration, est ici étudiée en profondeur. Ceci nous permet de comprendre la dynamique de ségrégation des particules et des bulles dans ces mélanges. A l’état durci, nous caractérisons la morphologie de ces matériaux en fonction de la taille des particules, de celle des bulles, de la proportion de particules, de celle du liant (ou du liquide dans le cas de systèmes non-durcis) et de celle de gaz. Nous déterminons parallèlement les propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques. Pour chacune des propriétés étudiées nous recherchons la présence d’un optimum, et la prise en compte de l’ensemble de ces résultats permet de relever les stratégies menant à la mise au point de matériaux multifonctionnels.
Le projet s’appuie également sur un travail de modélisation visant à comprendre les résultats expérimentaux obtenus et à développer des outils d’optimisation numérique de toutes les propriétés fonctionnelles de ces systèmes. Ces différents éléments fournissent les bases d’une approche rationnelle permettant le développement de MAP d’intérêt industriel, tels que les mousses de ciment ou les mousses de silice.

- Mise au point d’une méthode de génération permettant de produire des mélanges de mousse aqueuse et de tout type de suspension aqueuse, avec un parfait contrôle de la taille des bulles d’air et de la fraction d’air, et permettant une réelle étude paramétrique.
- Mise en évidence d’une transition morphologique pilotée par le paramètre géométrique ?, qui compare la taille des particules à celle des interstices entre bulles.
- Cette transition morphologique est responsable de la transition observée pour plusieurs propriétés des mousses particulaires, comme le drainage et la rhéologie des systèmes non-solidifiés, ou encore la mécanique pour les systèmes solidifiés. A priori, les autres propriétés sont aussi concernées.
- Un travail de modélisation a permis de montrer que cette transition peut être « normalisée » pour chaque propriété, ce qui conduit à l’identification d’une fonction unique de ? permettant de décrire l’effet des particules pour l’ensemble des propriétés de ces systèmes. En d’autres termes, et en réponse à l’objectif principal de ce projet, les résultats obtenus à ce jour indiquent que les effets morphologiques induits par la présence des particules dans ces systèmes moussés ont des conséquences sur leurs propriétés qui peuvent être appréhendées par une unique fonction du paramètre ?.

- La poursuite du travail se concentrera sur la transition observée pour les propriétés de drainage, rhéologique et mécanique. Nous chercherons à évaluer dans quelle mesure il est possible de décrire toutes les propriétés des mousses particulaires à partir de notre modélisation actuelle.
- L’élaboration des systèmes particulaires moussés est maintenant maîtrisée, ce qui permet de s’intéresser à des situations plus complexes, comme par exemple le cas de particules « fonctionnelles ». Le cas privilégié sera celui de particules à changement de phase, dont la chaleur latente implique des effets thermiques potentiellement intéressants à exploiter dans le cas de matériaux moussés.
- L’effort réalisé pour développer des outils de simulation d’échantillons numériques de mousses va être poursuivi de manière à permettre une comparaison systématique expérience/simulation et renforcer notre compréhension de ces systèmes complexes.
- Nous poursuivons le travail mené sur des systèmes d’intérêt industriel direct, comme le cas des mousses de ciment. L’objectif est d’identifier les jeux de paramètres permettant un contrôle de la morphologie pendant la phase « fluide » du matériau, qui dans le cas du ciment peut atteindre plusieurs heures.

[ACL 1] Critical size effect of particles reinforcing foamed composite materials, Composites Science and Technology (2015) 119, 62-67
[ACL 2] The drainage of foamy granular suspensions, Journal of colloid and interface science (2015) 458, 200-208 <b

L'incorporation d'air dans des matériaux conventionnels est une solution simple et efficace pour répondre aux nouvelles exigences du développement durable, à tous les stades de la vie du matériau, depuis sa production jusqu’à son utilisation comme isolant thermique des bâtiments, en passant par son transport et sa manutention. Ce projet traite les problématiques rencontrées pour les Matériaux Aérés dits Particulaires (MAP), généralement issus de l’aération des pâtes granulaires, telles que les pâtes de ciment ou de plâtre. Leur potentiel de développement est très important dans le domaine de la rénovation thermique des bâtiments, en tant que substituant incombustible aux mousses organiques actuellement utilisées. Toutefois, pour hisser leur performance thermique au niveau de celle des mousses organiques, un effort de recherche important doit être entrepris pour augmenter autant que possible la fraction d’air incorporé. Ainsi, de matériaux faiblement aérés, on s’achemine petit à petit vers des matériaux très fortement aérés. Cette transition est en cours chez les principaux acteurs du domaine des matériaux de construction, mais elle se heurte actuellement à plusieurs défis scientifiques majeurs. Nous pensons que pour franchir une étape décisive dans le développement de ces matériaux, il est nécessaire d’apporter de nouveaux éléments de compréhension qui permettront de progresser sur une voie d’optimisation rationnelle. Nous proposons donc de mener une étude générale, basée sur des systèmes modèles, plus simples, en cherchant à dégager quelques grands principes de formulation de ces assemblages complexes de particules, de liquide et de bulles. Les systèmes modèles que nous allons élaborer permettront de contrôler finement tous les paramètres influençant leurs propriétés, ce qui n’a pas été possible pour les études antérieures. L’avantage incontestable de ces systèmes modèles sera la possibilité d’étudier de façon paramétrique les propriétés des MAP durcis et non-durcis. En particulier, nous chercherons à préciser l’impact de la granulométrie des particules de la pâte sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des MAP. L’objectif le plus ambitieux sera de développer une ou plusieurs fonctions d’intérêt industriel (thermique, acoustique) sans dégrader la résistance mécanique du matériau. L’évolution morphologique de ces systèmes entre le moment de leur génération et leur durcissement (état non-durci), qui pose actuellement de sérieuses difficultés dans leur élaboration, sera étudiée. On cherchera en particulier à comprendre la dynamique de ségrégation des particules et des bulles dans ces mélanges, ainsi que celle liée au mûrissement d’Ostwald. A l’état durci, nous caractériserons la morphologie de ces matériaux en fonction de la taille des particules comparée à celle des bulles, de la proportion de particules et de celle de gaz. Nous déterminerons les propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques de ces MAP. Pour chacune des propriétés étudiées nous chercherons à mettre en évidence l’existence d’un optimum et à développer des stratégies permettant l’émergence de matériaux multifonctionnels. Un travail théorique sera mené en parallèle de cette approche expérimentale de manière à développer et valider des outils de modélisation permettant de prédire les caractéristiques des MAP en fonction de leur composition et de leur morphologie. On combinera approches numériques et méthodes d’estimation pour pouvoir traiter les différentes morphologies observées, et les caractéristiques globales des MAP seront estimées en mettant en œuvre des méthodes de changement d’échelles. Nous travaillerons également sur des systèmes très proches des matériaux industriels. Nous chercherons dans ce cas à appliquer les résultats obtenus sur les systèmes modèles, par exemple en termes de granulométrie optimale pour limiter les phénomènes de vieillissement à l’état non-durci ou renforcer telle ou telle propriété à l’état durci.

Coordinateur du projet

Monsieur Olivier PITOIS (Laboratoire NAVIER)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

NAVIER Laboratoire NAVIER
MSC Laboratoire Matière et Systèmes Complexes
MSME Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle
SGR SAINT GOBAIN RECHERCHE

Aide de l'ANR 448 812 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 42 Mois

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