Study of capillary interaction between two grains: a new experimental device with suction control

International audienceWe investigated the behavior of a water liquid bridge formed between two grains. We mainly focused on tensile tests with suction control (capillary pressure). Theoretical and experimental studies are compared. A new experimental device involving suction control of the liquid bridge was developed specifically for this kind of test. Most of the liquid bridge variables and characteristics were measured by image analysis (gorge radius, volume, contact angles, filling angles). Capillary force was measured by differential weighting. Experimental conditions allows us to avoid viscous effects. Our experimental results were close to Young- Laplace equation solutions. The "gorge method", commonly used for calculating the capillary force, was also validated by our experiments. Liquid bridge rupture was studied and a new rupture criterion is proposed. This criterion depends on the grain radius, contact angle, surface tension and suction and was in agreement with the experimental results

Analyse des autocontraintes dans un matériau granulaire humide

Nous présentons une analyse de la transmission des contraintes dans un matériau granulaire humide. L'étude repose sur des simulations numériques tridimensionnelles par éléments discrets. On montre que l'action de traction des ponts capillaires induit un réseau de particules autocontraintes qui s'organise sous forme de deux "phases" percolantes de pressions positives et négatives définies au niveau des particules. Des descripteurs statistiques de la microstructure et du réseau des forces sont utilisés pour caractériser la répartition des pressions. Le comportement biphasique des autocontraintes semble persister lorsque l'assemblage humide est soumis à une pression de confinement non nulle. Le nombre de liens en tension diminue et la phase négative se scinde en agrégats et en sites isolés

Influence de la polydispersité sur la texture des milieux granulaires

La texture des matériaux granulaires est fortement influencée par le degré de polydispersité des tailles de particules. Dans cet article on présente un modèle de distribution granulométrique associé à un protocole de dépôt géométrique. Ce modèle est suffisamment efficace sur le plan numérique pour permettre une étude systématique des propriétés d'arrangement du milieu (compacité, connectivité, anisotropie) en fonction de la forme et de l'étalement de la courbe granulométrique. Un résultat remarquable de cette étude est la variation non linéaire de la compacité avec l'étalement. On observe notamment un palier où la compacité n'évolue pas avec l'étalement. Une transition a lieu vers les compacités plus élevées lorsque l'étalement permet l'insertion des plus petites particules dans les pores formés par les plus grosses. Cette transition se retrouve au niveau de l'arrangement granulaire qui est relativement régulier sur le pallier et désordonné ensuite

Texture et comportement des matériaux granulaires fortement polydisperses

Dans cet article, on présente une étude numérique de l’influence de la polydispersité, i.e. distribution étendue des tailles de particules, sur la texture et sur le comportement mécanique des matériaux granulaires. Les simulations en éléments discrets, basées sur la méthode de Dynamique des Contacts, mettent en évidence le rôle dominant des plus grosses particules. De façon inattendue, on montre alors que la résistance au cisaillement de tels matériaux est indépendante de la polydispersité

Experimental characterization of mechanical properties of the cement-aggregate interface in concrete

International audienceThe microstructure of the Interfacial Transition Zone (ITZ) between the aggregates and the cement paste is characterized by a higher porosity than that of the bulk paste. The particular properties of this zone strongly influence the mechanical behavior of concrete. Microscopic cracks, which develop during subsequent loading, appear either in the matrix (cement paste or mortar) or along the cement-aggregates interface. Cracks could be caused by either tensile, shear strengths or by combinations of both. In this work, the mechanical properties of the cement paste – aggregate sample are experimentally studied. The experimental tests are performed on parallelepipedic samples at classical aggregate scale (one centimeter sections). These samples are composed of limestone aggregates and Portland cement paste, hereafter named ''composite ". The cement paste is prepared with a water/cement ratio of 0.5. The shape of the prepared composites makes them convenient for direct tensile and shear tests. At different stages of hydration, we performed direct tensile and shear tests on the composites by means of specific devices. The same tests were carried out on the cement paste in order to compare with the composite results. The analysis of the experimental results showed that the tensile strength of the cement-aggregate interface was about 30% lower than that of the cement paste tensile strength. Also, the shear strength of the cement-aggregate interface was smaller than the shear strength of the cement paste. In the same way as macroscopic Mohr–Coulomb criterion, we observed an increase of shear strength when normal stress increased. It provides access to a local cohesion (c) and a local friction angle ðUÞ at classical aggregate scale

Étude statistique de la réponse mécanique lors d'essais de traction directe à l'échelle locale

National audienceLa dispersion de la réponse mécanique d'un essai de traction directe sur une pâte de ciment à l'échelle locale, ou échelle de l'interface pâte de ciment/granulat, dépend, d'une part, de la dispersion des caractéristiques mécaniques de la pâte de ciment et, d'autre part, du dispositif expérimental. Une étude statistique numérique quantifie la dépendance de la dispersion des réponses mécaniques d'un essai de traction directe à la position de fixations en acier servant à la traction de l'échantillon. Les résultats de cette étude sont comparés à des observations expérimentales

Étude statistique de la réponse mécanique lors d’essais de traction directe à l’échelle locale

National audienc

Étude statistique de la réponse mécanique lors d'essais de traction directe à l'échelle locale

National audienceLa modélisation de la fissuration du béton nécessite de considérer la liaison entre la pâte de ciment et les granulats du béton, communément appelée interface, auréole de transition. Ce constat a motivé la mise en place d'essais mécaniques spécifiques en laboratoire à l'échelle dite locale afin de caractériser et d'identifier le comportement mécanique d'une pâte de ciment pure et de l'interface pâte de ciment/granulat à partir d'un échantillon composite. Des essais de traction directe sur des éprouvettes de ciment ont été mis en place dans le but d'identifier le comportement mécanique à la rupture de la pâte de ciment pure à l'échelle locale. Pour un type de ciment donné, la dispersion de la réponse mécanique des essais dépend, d'une part, de la dispersion des caractéristiques mécaniques de l'échantillon et, d'autre part, du dispositif expérimental. Cet article s'intéresse à la dispersion de la réponse mécanique sur plusieurs essais qui est grandement influencée par la préparation des échantillons. Une étude statistique numérique met en exergue la forte dépendance de la statistique des réponses mécaniques de l'essai de traction à la position des fixations en acier servant à la traction de l'échantillon. Les résultats de cette étude sont comparés à des observations expérimentales

Shear strength properties of wet granular materials

We investigate shear strength properties of wet granular materials in the pendular state (i.e. the state where the liquid phase is discontinuous) as a function of water content. Sand and glass beads were wetted and tested in a direct shear cell and under various confining pressures. In parallel, we carried out three-dimensional molecular dynamics simulations by using an explicit equation expressing capillary force as a function of interparticle distance, water bridge volume and surface tension. We show that, due to the peculiar features of capillary interactions, the major influence of water content over the shear strength stems from the distribution of liquid bonds. This property results in shear strength saturation as a function of water content. We arrive at the same conclusion by a microscopic analysis of the shear strength. We propose a model that accounts for the capillary force, the granular texture and particle size polydispersity. We find fairly good agreement of the theoretical estimate of the shear strength with both experimental data and simulations. From numerical data, we analyze the connectivity and anisotropy of different classes of liquid bonds according to the sign and level of the normal force as well as the bond direction. We find that weak compressive bonds are almost isotropically distributed whereas strong compressive and tensile bonds have a pronounced anisotropy. The probability distribution function of normal forces is exponentially decreasing for strong compressive bonds, a decreasing power-law function over nearly one decade for weak compressive bonds and an increasing linear function in the range of tensile bonds. These features suggest that different bond classes do not play the same role with respect to the shear strength.Comment: 12 page

From liquid to solid bonding in cohesive granular media

We study the transition of a granular packing from liquid to solid bonding in the course of drying. The particles are initially wetted by a liquid brine and the cohesion of the packing is ensured by capillary forces, but the crystallization of the solute transforms the liquid bonds into partially cemented bonds. This transition is evidenced experimentally by measuring the compressive strength of the samples at regular intervals of times. Our experimental data reveal three regimes: 1) Up to a critical degree of saturation, no solid bonds are formed and the cohesion remains practically constant; 2) The onset of cementation occurs at the surface and a front spreads towards the center of the sample with a nonlinear increase of the cohesion; 3) All bonds are partially cemented when the cementation front reaches the center of the sample, but the cohesion increases rapidly due to the consolidation of cemented bonds. We introduce a model based on a parametric cohesion law at the bonds and a bond crystallization parameter. This model predicts correctly the phase transition and the relation between microscopic and macroscopic cohesion.Comment: 20