Accretion Dynamics on Wet Granular Materials

Wet granular aggregates are common precursors of construction materials, food, and health care products. The physical mechanisms involved in the mixing of dry grains with a wet substrate are not well understood and difficult to control. Here, we study experimentally the accretion of dry grains on a wet granular substrate by measuring the growth dynamics of the wet aggregate. We show that this aggregate is fully saturated and its cohesion is ensured by the capillary depression at the air-liquid interface. The growth dynamics is controlled by the liquid fraction at the surface of the aggregate and exhibits two regimes. In the viscous regime, the growth dynamics is limited by the capillary-driven flow of liquid through the granular packing to the surface of the aggregate. In the capture regime, the capture probability depends on the availability of the liquid at the saturated interface, which is controlled by the hydrostatic depression in the material. We propose a model that rationalizes our observations and captures both dynamics based on the evolution of the capture probability with the hydrostatic depression

Dynamique et mécanisme d'accrétion granulaire

La compréhension des propriétés de mélange dans les matériaux divisés humides représente un enjeu majeur dans de nombreux domaines tels que l'optimisation des procédés ou la prévention des risques géologiques. En effet, les matériaux granulaires sont fréquemment utilisés dans l'industrie, notamment le génie civil où, une fois mélangés à un liquide, ils sont la base de nombreux matériaux de construction (mortier, plâtre, ...). Ces problématiques d'incorporation de liquide sont également primordiales en géophysique pour l'étude de la déstabilisation des sols entrainant des glissements de terrains lors des fortes précipitations. Les propriétés mécaniques des matériaux granulaires humides homogènes sont fortement corrélées à la quantité de liquide qu'ils contiennent [1]. Ainsi, lorsque le liquide est en excès, une suspension granulaire est obtenue, présentant un comportement fluide [2]. A l'inverse, en petite quantité, le liquide forme des ponts capillaires entre les grains, générant de la cohésion et un comportement solide du matériau [3,4]. Au cours du mélange, ces différentes situations peuvent coexister sous forme d'hétérogénéités dans le matériau, nécessitant de tenir compte du déplacement du liquide dans les grains. La dynamique d'écoulement du fluide a été largement étudiée dans le cas de matériaux statiques se comportant comme des empilements poreux [5]. Quelques situations dynamiques d'interaction entre un écoulement granulaire sec et un matériau granulaire humide et statique ont aussi mis en évidence le rôle capital de la fraction liquide de la phase humide. A faible fraction liquide, l'écoulement sec vient éroder la phase humide [6] alors que pour des fractions plus importantes, les grains secs sont captés, par accrétion, par la phase humide pour former un agrégat mécaniquement stable [7]. Le mécanisme physique d'accrétion et l'origine de la dynamique de croissance de l'agrégat restent cependant méconnus. Notre étude vise donc à mieux comprendre la transition entre un matériau granulaire sec en écoulement à un matériau granulaire partiellement saturé lors de l'incorporation de liquide. Nous proposons d'étudier l'accrétion granulaire au moyen d'une expérience modèle d'accrétion horizontale. Un matériau granulaire est projeté horizontalement, sous forme d'un jet dilué, sur le même matériau granulaire humide. Le substrat humide est connecté à un réservoir dont le niveau de liquide est ajustable, permettant ainsi de contrôler la dépression hydrostatique à l'intérieur. Une partie des grains secs sont capturés par la phase humide, engendrant la croissance d'un agrégat horizontal. Des mesures effectuées par tomographie à rayons X indiquent que cet agrégat est saturé et en dépression capillaire. La dynamique de croissance du matériau humide est suivie par vidéo, pour différentes valeurs de la dépression hydrostatique, et révèle une transition entre un régime visqueux limité par le déplacement du fluide entre les grains et un régime de capture limité par la capture des grains secs sur l'agrégat humide. Cette transition est modélisée grâce à un mécanisme associant la courbure locale des ménisques dans le matériau humide à l'efficacité de la capture. [1] P. Møller & D. Bonn, The shear modulus of wet granular matter, Eur. Phys. Lett. 80, 38002 (2007) [2] F. Boyer et al., Unifying suspension and granular rheology, Phys. Rev. Lett. 107, 188301 (2011) [3] S. Herminghaus, Dynamics of wet granular matter, Adv. Phys. 54, 221-244 (2005) [4] M. Scheel et al., Morphological clues to wet granular pile stability, Nat. Mat. 7, 189-193 (2008) [5] M. Reyssat et al., Imbibition in layered systems of packed beads, Eur. Phys. Lett. 86, 56002 (2009) [6] G. Lefebvre & P. Jop, Erosion dynamics of a wet granular medium, Phys. Rev. E 88, 032205 (2013) [7] F. Pacheco-Vazquez et al., Sculpting sandcastles grain by grain: Self-assembled sand towers, Phys. Rev. E 86, 051303 (2012

Blending liquid into a flowing dry granular material

We study experimentally the growth dynamics of a horizontal wet granular aggregate produced by accretion when a dry granular jet impacts a wet substrate. The tomographic imaging demonstrates that the wet aggregate is fully saturated and its cohesion is related to the capillary suction due to the pressure drop at the liquid/air interface. We highlight that the accretion process is characterized by two different growth dynamics depending on the hydrostatic depression in the material. At low depression, the growth dynamics exibits a “diffusive” regime whereas the dynamics becomes linear for higher depressions. A competition between the viscous displacement of the fluid into the granular material and the sticking dynamics is proposed to understand the transition in the growth velocity

Mechanisms and dynamics of interactions between grains and liquid : from dry to wet granular media

Les matériaux granulaires sont omniprésents, tant dans la nature que dans l'industrie ou dans notre vie quotidienne. Les mélanger à un liquide constitue une opération de base dans de nombreux procédés industriels. Néanmoins, la compréhension et la modélisation des mécanismes d'échanges de liquide et de grains impliqués dans le mélange restent encore méconnus. Dans cette thèse, nous considérons les mécanismes d'interactions apparaissant à l'interface entre un matériau granulaire contenant une quantité variable de liquide et un écoulement de grains secs. En fonction de la quantité de liquide, la phase granulaire humide est soit érodée par l'écoulement sec, soit capte des grains par accrétion granulaire, soit transfère du liquide de la phase humide à la phase sèche par imprégnation. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux mécanismes et aux dynamiques d'accrétion granulaire observés lors de l'impact d'un jet dilué de grains secs sur un substrat granulaire saturé en liquide. Nous mettons en avant le rôle du liquide aux interfaces dans la dynamique de croissance et les sources de dissipations énergétiques responsables de la capture des grains secs. Une expérience d'accrétion dans un écoulement dense et cisaillé permet ensuite d'étudier l'influence des propriétés de l'écoulement sur la dynamique de capture et d'établir une loi d'accrétion générale. Une configuration d'accrétion d'un agrégat isolé au sein d'un écoulement granulaire en tambour tournant permet enfin d'étendre notre étude au cas des matériaux granulaires non saturés en liquide, croissant par accrétion avant de s'éroder. Dans un second temps, nous étudions l'imprégnation dans un jet granulaire dense pénétrant dans un réservoir de liquide. En modélisant l'entrée des grains dans l'eau comme l'imprégnation d'un matériau poreux, nous mettons en évidence une relation entre la forme du front d'imbibition et la vitesse d'immersion, et caractérisons l'effet des propriétés physico-chimiques des grains. Ces travaux constituent une avancée dans la compréhension des phénomènes locaux impliqués dans le mélange entre grains et liquide et de la transition d'un milieu granulaire sec à humide.Granular materials are ubiquitous, both in nature and in industry or in our daily life. Blending grains and liquid is a basic operation at the origin of many industrial processes. Nevertheless, the understanding and the modeling of the mechanisms of exchanges of liquid and grains, implied in the mixing process, remain largely unknown. In this PhD, we propose to investigate the mechanisms of interactions between a granular material containing a variable quantity of liquid and flowing dry grains. Depending on the amount of liquid, the wet granular phase can be eroded by the granular flow, or flowing grains can be captured by granular accretion or the liquid can be transported from the wet to the dry phase by impregnation. First, we focus on the mechanisms and the dynamics of granular accretion observed after the impact of a dilute granular jet on a wet granular substrate. We highlight the role of liquid interfaces on the growth dynamics and the sources of energy dissipations implied in the capture. Then, using an experiment of accretion with a dense and shear granular flow, we study the influence of the flow properties on the dynamics of capture and we propose a general accretion law. The rotating drum configuration with an isolated aggregate in a granular flow allows us to extend our investigation with the situation of unsaturated granular materials growing by accretion before being eroded. In the second part of the PhD, we study the impregnation in a dense granular jet penetrating into a liquid bath. By modeling the grains intrusion as the impregnation of a porous medium, we highlight the link between the shape of the front profile and the immersion speed. We also characterize the influence of the physico-chemical properties of the grains. This work constitutes a first step in the understanding of local phenomena implied in granular blending processes and the transition from dry to wet granular media

Mécanismes et dynamiques d’interactions entre grains et liquide : du matériau granulaire sec au mélange saturé

Granular materials are ubiquitous, both in nature and in industry or in our daily life. Blending grains and liquid is a basic operation at the origin of many industrial processes. Nevertheless, the understanding and the modeling of the mechanisms of exchanges of liquid and grains, implied in the mixing process, remain largely unknown. In this PhD, we propose to investigate the mechanisms of interactions between a granular material containing a variable quantity of liquid and flowing dry grains. Depending on the amount of liquid, the wet granular phase can be eroded by the granular flow, or flowing grains can be captured by granular accretion or the liquid can be transported from the wet to the dry phase by impregnation. First, we focus on the mechanisms and the dynamics of granular accretion observed after the impact of a dilute granular jet on a wet granular substrate. We highlight the role of liquid interfaces on the growth dynamics and the sources of energy dissipations implied in the capture. Then, using an experiment of accretion with a dense and shear granular flow, we study the influence of the flow properties on the dynamics of capture and we propose a general accretion law. The rotating drum configuration with an isolated aggregate in a granular flow allows us to extend our investigation with the situation of unsaturated granular materials growing by accretion before being eroded. In the second part of the PhD, we study the impregnation in a dense granular jet penetrating into a liquid bath. By modeling the grains intrusion as the impregnation of a porous medium, we highlight the link between the shape of the front profile and the immersion speed. We also characterize the influence of the physico-chemical properties of the grains. This work constitutes a first step in the understanding of local phenomena implied in granular blending processes and the transition from dry to wet granular media.Les matériaux granulaires sont omniprésents, tant dans la nature que dans l'industrie ou dans notre vie quotidienne. Les mélanger à un liquide constitue une opération de base dans de nombreux procédés industriels. Néanmoins, la compréhension et la modélisation des mécanismes d'échanges de liquide et de grains impliqués dans le mélange restent encore méconnus. Dans cette thèse, nous considérons les mécanismes d'interactions apparaissant à l'interface entre un matériau granulaire contenant une quantité variable de liquide et un écoulement de grains secs. En fonction de la quantité de liquide, la phase granulaire humide est soit érodée par l'écoulement sec, soit capte des grains par accrétion granulaire, soit transfère du liquide de la phase humide à la phase sèche par imprégnation. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux mécanismes et aux dynamiques d'accrétion granulaire observés lors de l'impact d'un jet dilué de grains secs sur un substrat granulaire saturé en liquide. Nous mettons en avant le rôle du liquide aux interfaces dans la dynamique de croissance et les sources de dissipations énergétiques responsables de la capture des grains secs. Une expérience d'accrétion dans un écoulement dense et cisaillé permet ensuite d'étudier l'influence des propriétés de l'écoulement sur la dynamique de capture et d'établir une loi d'accrétion générale. Une configuration d'accrétion d'un agrégat isolé au sein d'un écoulement granulaire en tambour tournant permet enfin d'étendre notre étude au cas des matériaux granulaires non saturés en liquide, croissant par accrétion avant de s'éroder. Dans un second temps, nous étudions l'imprégnation dans un jet granulaire dense pénétrant dans un réservoir de liquide. En modélisant l'entrée des grains dans l'eau comme l'imprégnation d'un matériau poreux, nous mettons en évidence une relation entre la forme du front d'imbibition et la vitesse d'immersion, et caractérisons l'effet des propriétés physico-chimiques des grains. Ces travaux constituent une avancée dans la compréhension des phénomènes locaux impliqués dans le mélange entre grains et liquide et de la transition d'un milieu granulaire sec à humide

Wet rolling stones: Growth of a granular aggregate under flow

Wet granulation processes can be driven from low to high water content. In this study, we consider the model situation of the growth of a single wet aggregate rolling in a dry granular flow inside a rotating drum. We measure the time evolution of its diameter for different grains and liquids, as well as various rotation rates of the drum. Using X-ray tomography, we are able to characterize the internal structure of the granular aggregate at different times during the process. We show that the growth rate of the aggregate can be related to the transport of the liquid inside the granule and the capture of grains. We propose a model to rationalize the maximum size of the aggregate and its growth rate

Wet rolling stones: Growth of a granular aggregate under flow

Wet granulation processes can be driven from low to high water content. In this study, we consider the model situation of the growth of a single wet aggregate rolling in a dry granular flow inside a rotating drum. We measure the time evolution of its diameter for different grains and liquids, as well as various rotation rates of the drum. Using X-ray tomography, we are able to characterize the internal structure of the granular aggregate at different times during the process. We show that the growth rate of the aggregate can be related to the transport of the liquid inside the granule and the capture of grains. We propose a model to rationalize the maximum size of the aggregate and its growth rate

Blending liquid into a flowing dry granular material

We study experimentally the growth dynamics of a horizontal wet granular aggregate produced by accretion when a dry granular jet impacts a wet substrate. The tomographic imaging demonstrates that the wet aggregate is fully saturated and its cohesion is related to the capillary suction due to the pressure drop at the liquid/air interface. We highlight that the accretion process is characterized by two different growth dynamics depending on the hydrostatic depression in the material. At low depression, the growth dynamics exibits a “diffusive” regime whereas the dynamics becomes linear for higher depressions. A competition between the viscous displacement of the fluid into the granular material and the sticking dynamics is proposed to understand the transition in the growth velocity