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Flux effects on rheo-thickening phenomena in highly concentrated suspensions of mineral particles

- Leader : Bossis Georges

- Collaborators within the LPMC : Persello Jacques, Volkova Olga, Meunier Alain

- External Collaborators : Grasselli Yan (SKEMA Bachelors-EAI), Zubarev A. (Ural Federal University,, Ekaterinburg, Russia)

- PhD students/Post-doctoral fellows : Morini Romain

- Technological platforms : Center for Micro & Nanorheometry, Thermal, mechanical, and rheological analysis

- Description :

Lorsque la fraction volumique de particules dans un liquide dépasse 50%, la rhéologie devient très dépendante du taux de cisaillement. On observe habituellement une contrainte seuil nécessaire pour mettre le fluide en écoulement puis, lorsque le cisaillement augmente, la viscosité diminue soit à cause de la fracturation des agrégats de particules par l’effet du cisaillement soit par un effet d’alignement des particules le long des lignes de vitesse. Par contre , à plus fort taux de cisaillement on observe une augmentation de viscosité qui peut être d’autant plus brutale et importante que la concentration en particules est grande. La cause principale de ce phénomène, appelé rhéo-épaississement, provient de la rupture du film de lubrification qui induit une friction solide entre particules. La formation de clusters de particules en contact s’étend alors de façon dynamique dans toute la suspension et bloque l’écoulement.

Ce phénomène est indésirable dans de nombreuses applications industrielles où l’on souhaite faire s’écouler des suspensions concentrées ; c’est le cas en particulier des bétons et de leur constituant principal : le ciment. Pour le contrer il faut introduire une force répulsive entre particules par le biais de polyélectrolytes qui, adsorbés à la surface des particules, vont générer une force répulsive d’origine entropique et ,dans une plus faible mesure, électrostatique. De telles molécules, comme les polycarboxylates, connues sous le nom de superplastifiants peuvent modifier considérablement le comportement rhéoépaississant de ces suspensions [1].

Notre projet dans ce domaine consiste à étudier le mode d’action de ces molécules — dont certaines nous sont fournies par la société Chryso — sur un système modèle constitué de particules minérales de carbonate de calcium. La méthodologie repose en premier lieu sur une caractérisation physico-chimique du complexe particule-fluidifiant par le biais d’isothermes d’adsorption, de mesure de charge des particules et de taille des agrégats et également par des mesures directes de forces par AFM entre une particule de carbonate de calcium et des cristaux de calcite. En parallèle les mesures rhéologiques ,en particulier la contrainte seuil et le taux de cisaillement critique (cisaillement pour lequel le phénomène de rhéo-épaississement apparaît ) sont corrélées avec les caractéristiques des différentes molécules étudiées (rayon de giration, taux de couverture de la surface minérale, interaction polymère-solvant et polymère -polymère...) dans le but de fournir un modèle permettant de concevoir l’architecture moléculaire la plus efficace pour la synthèse de nouvelles molécules de fluidifiants.

Notons qu’à côté de cet enjeu industriel, l’utilisation de différentes molécules de fluidifiants et/ou de différentes concentrations de ces fluidifiants, permettra de tester sur un seul et même système (constitué de particules de carbonate de calcium synthétisées au laboratoire) différents modèles relatifs à la contrainte seuil et aux transitions de blocage.

[1]Rheology of a gypsum suspension in the presence of different superplasticizers M. Neuville, G. Bossis, J. Persello and O.Volkova, P. Boustingory, M. Mosquet ; J.Rheology, (2012), vol. 56, issue 2, p. 435

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes, Magnétorhéologie - Nanomatériaux