Comportement de suspensions granulaires soumises à des vibrations : mesures rhéologiques et caractérisation par diffusion de la lumière

Quantifier l’impact des vibrations sur les propriétés rhéologiques des suspensions granulaires trouve son intérêt dans de nombreuses applications, que ce soit environnementales ou industrielles. Par exemple, comprendre l’influence des secousses sismiques sur la liquéfaction des sols ou encore quantifier les vibrations à appliquer au béton pour une mise en place efficace restent des problèmes ouverts. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, nous avons quantifié l’impact de vibrations contrôlées sur la rhéologie d’un milieu granulaire modèle constitué de billes de verre (~ 100μm) et saturé en liquide (fraction volumique de l’ordre de 60%). Le dispositif employé se compose d’un rhéomètre à contrainte imposée (AR 2000, TA Instruments) couplé à une cellule vibrante imposant des vibrations sinusoïdales à amplitude et fréquence fixées (P. Marchal, et al., J. Rheol. 53, 1 (2009)). L’influence des paramètres expérimentaux tels que la taille de billes, la viscosité du fluide interstitiel ou encore l’amplitude et la fréquence des vibrations sur la viscosité ont été étudiés en détails. Nous avons en particulier mis en évidence la présence d’un régime à faible cisaillement entièrement contrôlé par les vibrations. L’effet de cette sollicitation est de faire disparaître la contrainte seuil du matériau et de faire apparaître un plateau de viscosité (Hanotin et al., Phys. Rev. Lett. 108, 198301 (2012)). Cette viscosité de plateau chute de façon surprenante lorsqu’on augmente la viscosité du fluide interstitiel. Une approche dimensionnelle montre que la viscosité de la suspension est contrôlée par la compétition entre les forces de lubrification et la pression granulaire. Des expériences de diffusion de la lumière utilisant une caméra CCD et basées sur l’analyse des fluctuations d’intensité des figures de speckle ont été menées en parallèle sur ces suspensions granulaires vibrées en l’absence de cisaillement. Cette technique permet de sonder la dynamique des particules aux temps longs. Il apparaît que le temps caractéristique de relaxation obtenu est relié à la viscosité au plateau de la suspension granulaire vibrée, ce qui permet d’établir un lien entre les propriétés rhéologiques et les propriétés de diffusion à l’échelle du grain

Rheophysics of vibrated granular suspensions

Quantifier l'impact des vibrations sur les propriétés rhéologiques des suspensions granulaires trouve son intérêt en géophysique et dans de nombreux secteurs industriels. Par exemple, les mécanismes de liquéfaction des sols sous l'effet d'une secousse demeurent mal connus à ce jour. L'objet de cette thèse est d'apporter une compréhension fondamentale des modifications induites par les vibrations sur les propriétés physiques et mécaniques d'un système modèle composé de billes de verre sphériques et monodisperses immergées dans un fluide newtonien en concentration dense (Φ≈0.61). Dans un premier temps, le comportement rhéologique macroscopique global des suspensions a été étudié à l'aide d'un rhéomètre couplé à une cellule vibrante. Les vibrations font disparaître la contrainte seuil du matériau et font apparaître un plateau newtonien contrôlé par une compétition entre les contraintes de lubrification et les contraintes frictionnelles. Un autre type d'expérience, la rhéométrie à chute de bille par Imagerie par Résonance Magnétique, montre des résultats similaires. Dans un second temps, la dynamique de réorganisation locale des grains a été sondée grâce à des expériences de diffusion de la lumière faisant appel à une caméra CCD et fondées sur l'analyse des fluctuations d'intensité des figures de speckle. Cette technique a permis de sonder la dynamique des particules aux temps longs. Il est apparu que le temps caractéristique de relaxation obtenu est relié à la viscosité au plateau newtonien de la suspension granulaire vibrée, ce qui a permis d'établir un lien entre le comportement rhéologique macroscopique des échantillons et la dynamique diffusionnelle à l'échelle du grainQuantify the impact of vibrations on the rheological properties of granular suspensions is of paramount importance in many environmental or industrial areas. For example, the soil liquefaction mechanisms, as a result of an earthquake, remain poorly understood by now. The purpose of this thesis is to provide a fundamental understanding of the modifications induced by the vibrations on physical and mechanical properties of a model concentrated suspension (Φ≈0.61), made up of spherical monodisperse glass beads immersed in a Newtonian fluid. In a first step, the macroscopic rheological behavior of this system has been studied using a classical rheometer coupled with a vibrating cell. The vibrations induce the vanishing of the yield stress of the material and the emergence of a Newtonian plateau at low shear. Thus, it has been shown that the viscosity of the suspension is controlled by a competition between lubrication and frictional stresses. Another type of experiment, the falling ball rheometry by Magnetic Resonance Imaging, shows similar results. In a second step, the local dynamics of the grains was probed by diffusing wave spectroscopy using a CCD camera based on the analysis of the intensity fluctuations of speckle patterns. This technique allowed to probe the dynamics of particles at long times. It appears that the characteristic relaxation time obtained is related to the suspension viscosity, thereby linking the macroscopic rheological properties to the diffusional dynamics at the grain scal

Rhéophysique des suspensions granulaires vibrées

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2015-08-30Quantify the impact of vibrations on the rheological properties of granular suspensions is of paramount importance in many environmental or industrial areas. For example, the soil liquefaction mechanisms, as a result of an earthquake, remain poorly understood by now. The purpose of this thesis is to provide a fundamental understanding of the modifications induced by the vibrations on physical and mechanical properties of a model concentrated suspension (PHI~~0.61), made up of spherical monodisperse glass beads immersed in a Newtonian fluid. In a first step, the macroscopic rheological behavior of this system has been studied using a classical rheometer coupled with a vibrating cell. The vibrations induce the vanishing of the yield stress of the material and the emergence of a Newtonian plateau at low shear. Thus, it has been shown that the viscosity of the suspension is controlled by a competition between lubrication and frictional stresses. Another type of experiment, the falling ball rheometry by Magnetic Resonance Imaging, shows similar results. In a second step, the local dynamics of the grains was probed by diffusing wave spectroscopy using a CCD camera based on the analysis of the intensity fluctuations of speckle patterns. This technique allowed to probe the dynamics of particles at long times. It appears that the characteristic relaxation time obtained is related to the suspension viscosity, thereby linking the macroscopic rheological properties to the diffusional dynamics at the grain scaleQuantifier l'impact des vibrations sur les propriétés rhéologiques des suspensions granulaires trouve son intérêt en géophysique et dans de nombreux secteurs industriels. Par exemple, les mécanismes de liquéfaction des sols sous l'effet d'une secousse demeurent mal connus à ce jour. L'objet de cette thèse est d'apporter une compréhension fondamentale des modifications induites par les vibrations sur les propriétés physiques et mécaniques d'un système modèle composé de billes de verre sphériques et monodisperses immergées dans un fluide newtonien en concentration dense (PHI~~0.61). Dans un premier temps, le comportement rhéologique macroscopique global des suspensions a été étudié à l'aide d'un rhéomètre couplé à une cellule vibrante. Les vibrations font disparaître la contrainte seuil du matériau et font apparaître un plateau newtonien contrôlé par une compétition entre les contraintes de lubrification et les contraintes frictionnelles. Un autre type d'expérience, la rhéométrie à chute de bille par Imagerie par Résonance Magnétique, montre des résultats similaires. Dans un second temps, la dynamique de réorganisation locale des grains a été sondée grâce à des expériences de diffusion de la lumière faisant appel à une caméra CCD et fondées sur l'analyse des fluctuations d'intensité des figures de speckle. Cette technique a permis de sonder la dynamique des particules aux temps longs. Il est apparu que le temps caractéristique de relaxation obtenu est relié à la viscosité au plateau newtonien de la suspension granulaire vibrée, ce qui a permis d'établir un lien entre le comportement rhéologique macroscopique des échantillons et la dynamique diffusionnelle à l'échelle du grai

High temperature rheological study of borosilicate glasses containing platinum group metal particles by means of a mixer-type rheometer

International audienceIn this paper, the rheological behavior of six simulated high level waste nuclear glasses containing 0 to 5.2 wt% platinum group metals (PGM) has been studied at a temperature of 1200 °C. By means of a stress imposed rheometer, the shear stress dependence of the viscosity, which was so far assessed only at high shear rates, has been investigated on a wider range. Experimental data have been well fitted by the Cross model and a critical stress corresponding to the rupture of PGM aggregates has been evidenced. At high shear rates, the dependence with the volume fraction in PGM particles is well accounted for by Quemada's law. At low shear rates, the first Newtonian plateau is shown to be strongly dependent on the PGM content, notably above 3 wt% and to follow an exponential dependence due to the existence of more complex structures at the origin of the critical stress

Rheology of vibrated granular suspensions

In this work we investigate in details the flow behaviour of dense vibrated gravitational suspensions. We study the rheology in the stationary state by using a stress imposed rheometer (spectroscopy mechanics) coupled with a vibration cell, we show that applying well-controlled mechanical vibrations allows the control of the suspension viscosity by suppressing the apparent yield stress which is largely the cause of flow jamming. We show that the rheology in the stationary state is controlled by the competition between the reorganization time induced by the flow and the internal reorganization time induced by vibrations. We discuss the influence of particles size, suspending fluid viscosity and vibration parameters and demonstrate that the grains dynamics is controlled by the ratio between the lubrication stress and the granular pressure. This work evidences the major role played by the vibration induced lubrication stress on the liquefaction of vibrated granular suspensions

Rheology of vibrated granular suspensions

In this work we investigate in details the flow behaviour of dense vibrated gravitational suspensions. We study the rheology in the stationary state by using a stress imposed rheometer (spectroscopy mechanics) coupled with a vibration cell, we show that applying well-controlled mechanical vibrations allows the control of the suspension viscosity by suppressing the apparent yield stress which is largely the cause of flow jamming. We show that the rheology in the stationary state is controlled by the competition between the reorganization time induced by the flow and the internal reorganization time induced by vibrations. We discuss the influence of particles size, suspending fluid viscosity and vibration parameters and demonstrate that the grains dynamics is controlled by the ratio between the lubrication stress and the granular pressure. This work evidences the major role played by the vibration induced lubrication stress on the liquefaction of vibrated granular suspensions

Rheology of vibrated granular suspensions

In this work we investigate in details the flow behaviour of dense vibrated gravitational suspensions. We study the rheology in the stationary state by using a stress imposed rheometer (spectroscopy mechanics) coupled with a vibration cell, we show that applying well-controlled mechanical vibrations allows the control of the suspension viscosity by suppressing the apparent yield stress which is largely the cause of flow jamming. We show that the rheology in the stationary state is controlled by the competition between the reorganization time induced by the flow and the internal reorganization time induced by vibrations. We discuss the influence of particles size, suspending fluid viscosity and vibration parameters and demonstrate that the grains dynamics is controlled by the ratio between the lubrication stress and the granular pressure. This work evidences the major role played by the vibration induced lubrication stress on the liquefaction of vibrated granular suspensions

Défense et colonies dans le mode atlantique

La découverte puis l'exploitation de l'Afrique, de l'Asie et de l'Amérique par les Européens dès le XVe siècle ont conduit à une progressive militarisation de ces espaces, tant terrestres que maritimes. S'imposant aux pouvoirs politiques locaux ou faisant face aux convoitises étrangères, cette mise en défense par les différentes puissances européennes a contraint à un déploiement logistique spécifique et une adaptation aux différents terrains coloniaux. Construction de fortifications outre-mer, établissement de stations et de bases navales, recrutement et formation des milices ou encore élaboration de tactiques militaires deviennent des préoccupations permanentes même si toutes ces réalisations connaissent des évolutions heurtées en fonction des conjonctures, des disponibilités financières de chacun des États, des possibilités techniques et parfois de l'intelligibilité stratégique des décideurs. En outre, loin de suivre des trajectoires uniquement nationales, ce déploiement est également intelligible à l'aune de la circulation de l'information militaire, des modèles défensifs et par l'interprétation et la pondération des différents transferts techniques entre les espaces coloniaux. Les contributions de ce volume, qui ont été présentées à l'occasion de deux journées d'études organisées en 2012 et 2013 par le Centre de Recherches en Histoire Internationale et Atlantique (CRHIA) de l'université de Nantes, réfléchissent à ces différents aspects en montrant l'évolution de la mise en défense coloniale des débuts de l'époque moderne à l'âge atomique. Partant d'études de cas ou analysant plus globalement cette projection militaire, les auteurs apportent des éléments pour penser l'émergence d'un « système de défense atlantique »