Analysis of capillary bridges using imaging techniques and recent analytical model

Abstract

National audienceMechanical properties of non-saturated granular materials are directly connected with capillary interactions, resultingfrom the presence of water between grains. In this paper, we use the recent analytical model obtained in [GAG 14]to analyze capillary interactions at the scale of liquid bridge between two spherical grains. Geometrical profiles of capillarybridges are obtained resolving Young-Laplace equation, considered as an inverse problem, with unknown capillary pressure.Data of contact angle, half-filling angle and gorge radius, determined experimentally by image processing, allow to calculateall the data associated with capillary bridge (form of bridge profile, Laplace pressure, capillary force). Results of theoreticalmodeling match very accurately experimental ones at small volumes and/or small separation distances between grains, wheninfluence of gravity is limited. However, for larger liquid volumes and/or larger separation distances between grains the influenceof the gravity is manifested as a distortion of capillary bridge. To avoid the gravity influence, experimental tests wererealized in micro-gravity conditions (parabolic flight). For these tests, theoretical results are in good agreement with experimentalones, independently of liquid volumes and/or separations distances between grains.Les propriétés mécaniques des matériaux granulaires non saturés sont directement liées aux interactions capillairesrésultant de la présence d’eau entre les grains. Dans ce l’article, le modèle analytique récent obtenu dans [GAG 14] est utilisépour analyser les interactions capillaires à l’échelle du pont liquide entre deux grains sphériques. Les profils géométriques desponts capillaires sont obtenus en résolvant l’équation de Young-Laplace considérée comme un problème inverse, la pressioncapillaire étant inconnue. La donnée de l’angle de remplissage, de l’angle de mouillage et du rayon de gorge, qui sont déterminésexpérimentalement par traitement d’image, permet de calculer toutes les données associées au pont capillaire (forme de laméridienne, volume du pont capillaire, force capillaire). Les résultats de la modélisation sont en bon accord avec les résultatsexpérimentaux dans le cas de petits volumes d’eau et/ou de petites distances entre les grains, où l’influence de la gravité estlimitée. En revanche, pour des volumes d’eau plus importants et/ou des distances entre les grains plus grandes, l’influence de lagravité induit une distorsion du pont capillaire. Pour s’affranchir de la gravité, des essais ont été réalisés dans des conditionsde micro-gravité (vol parabolique). Pour ces essais, les résultats théoriques et expérimentaux sont en bon accord, indépendammentdes volumes de liquide et/ou des distances entre grains