Détermination théorique et expérimentale des contraintes mécaniques induisant les fractures lors du séchage de suspensions colloïdales - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2011

Détermination théorique et expérimentale des contraintes mécaniques induisant les fractures lors du séchage de suspensions colloïdales

Mourad Chekchaki
  • Function : Author
  • PersonId : 911056

Abstract

One of the physical phenomena responsible for the appearance of fractures is the consolidation. Whether it is of thermal or drying origin, the consolidation leads to the shrinkage of the solid material and under certain conditions, to the formation of typical fracture patterns. We can observe these fractures in the paintings or during the evaporation of the fluid phase from colloidal suspensions, mud, etc. In this research work, we are interested in the shrinkage fractures which appear during the drying of a model system constituted by an aqueous colloidal suspension containing spherical particles of nanolatex (Diameter = 100 nm). During the drying of such a system, the network of particles forms a porous solid saturated by water (''gel''), which shrinks under the influence of the capillary pressure. When a thin film of suspension is deposited on a stiff substrat, the shrinkage due to the consolidation becomes limited by its adhesion on the substrat and tensile stresses can appear and lead to fractures. Our objective is to approach the problem of fracture from a macroscopic point of view by continuum mechanics, supposing that the gel can be modelled by a poroelastic middle and that the fractures can be predicted by linear elastic fracture mechanics. In this view, we design a set of experiments allowing us to validate this approach. It uses the characterization of colloidal films by indentation test and the estimation of tensile stresses during drying by cantilever beam experiments. The test of microindentation allows to obtain an estimation of the Young's modulus, the hardness and the viscosity of the solid, as well as the tenacity and the energy release rate. The cantilever beam experiment seems to show that the tensile stresses can be estimated by poroelasticity and the fracture by linear elastic fracture mechanics.
L'un des phénomènes physiques responsable de l'apparition des fractures est la consolidation. Qu'elle soit d'origine thermique ou de séchage, la consolidation se traduit par la rétraction du matériau solide et mène sous certaines conditions, à la formation de figures de fractures typiques. On peut observer ces fractures dans les toiles d'art ou encore lors de l'évaporation de la phase fluide dans les milieux tels les suspensions colloïdales, les enduits, la boue, etc. Dans ce travail de doctorat, on s'intéresse aux fractures de rétraction qui apparaissent lors du séchage d'un système modèle constitué d'une suspension colloïdale concentrée de particules sphériques de nanolatex (D~100 nm). Durant le séchage d'un tel système, le réseau de particules forme un gel poreux qui se rétracte et se consolide sous l'effet de la pression capillaire. Quand la suspension est déposée en film mince sur un substrat rigide, la rétraction due à la consolidation devient limitée par son adhésion sur le substrat et d'intenses contraintes de tension peuvent appara\^{i}tre et conduire à l'apparition de fractures. Notre objectif est d'approcher ce problème de fissures de séchage d'un point de vue macroscopique par la mécanique des milieux continus en supposant que le film gélifié peut être modélisé par un milieu poroélastique et que la fissuration peut être prédite par la mécanique de la rupture fragile. Dans cette optique, nous avons mis en place un ensemble d'expériences permettant de valider cette approche. Il s'agit de la caractérisation de films colloïdaux par le test d'indentation et l'estimation des contraintes de tension dans ces films par la technique de la lame encastrée. Le test de microindentation permet d'obtenir une estimation du module de rigidité, de la dureté et de la viscosité du film solide, ainsi que de la ténacité et de l'énergie à la rupture. La technique de la lame encastrée tend à montrer que les contraintes de tension mesurées peuvent être estimées par la poroélasticité et la fracturation par la mécanique linéaire de la rupture.
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Dates and versions

tel-00626937 , version 1 (27-09-2011)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00626937 , version 1

Cite

Mourad Chekchaki. Détermination théorique et expérimentale des contraintes mécaniques induisant les fractures lors du séchage de suspensions colloïdales. Matière Condensée [cond-mat]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00626937⟩
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