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Thèse Année : 2022

Rheology of concentrated suspensions of sphere-fiber mixtures in view of applications to reinforced cementitious materials

Rhéologie des suspensions concentrées des mélanges sphères-fibres en vue d'applications aux matériaux cimentaires renforcés

Mounir Meloussi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1257082
  • IdRef : 266126618

Résumé

Discontinuous shear-thickening (the international acronym is "DST") in dense non-Brownian suspensions is a well-documented phenomenon in scientific research, however its origins and effects are still under discussion nowadays. Not being able to recognize the direct cause of the phenomenon represents a point of weakness in many industrial fields, especially in the field of concrete and fiber reinforced concrete production.In this thesis, we will study experimentally as well as theoretically the DST in a suspension of calcium carbonate microparticles loaded with rigid polyamide and glass fibers. The rheology of this suspension simulates the behavior of fiber-reinforced concrete. We reproduce on a reduced scale different types of flows occurring in the concrete placement process, such as double-helix mixing, pumping through tubes, jet flow at the tube outlet, and we derive fundamental rheological behaviors applicable to any type of "sphere-fiber" mixtures.Using "mixing" type rheometry (double helix tools adapted to the rotational rheometer), we will first show that the addition of fibers shifts the DST transition to lower critical shear rates, which is explained by an increase in the viscosity of the suspension, so that the shear rate to reach the DST onset stress decreases. However, the mixture jams at a fiber volume fraction greater than or equal to 4% which is interpreted in terms of the percolation threshold of the fiber network in the shear-thickening matrix of calcium carbonate.We will show in a second stage that the rheological behavior in a flow induced by a pressure gradient through a capillary remains very similar to that in a simple shear, as long as the Mouni-Raboniwitch correction is correctly applied. The theoretical model based on the homogenization approach allows to reproduce at least semi-quantitatively the flow curves in the " mixing" type rheometry and the pressure-flow curves in the capillary rheometry by properly capturing the shift of the DST transition with the addition of fibers.Finally, the instabilities of the calcium carbonate suspension jet under gravity with and without polyamide fibers will be studied. This instability is manifested by strong lateral oscillations of the axial symmetry axis of the jet accompanied by a slight undulation of the jet surface. We will perform for the first time a two-dimensional direct Fourier transform (2D DFT) analysis of the spatiotemporal variation of the jet diameter and the lateral deflection of the jet in the DST regime. We will show that the addition of polyamide fibers at different concentrations in the suspension allows for jet stability and promotes jet fractures. A theoretical explanation for the onset of jet lateral instability and the stabilizing effect of the fibers will then be developed based on the evaluations of normal stresses and the lower and upper thresholds of the DST.
Le rhéoépaississement discontinu (dont l'acronyme international est « DST ») dans les suspensions denses non browniennes est un phénomène bien documenté dans la recherche scientifique, cependant ses origines et ses effets sont toujours en discussion aujourd'hui. Ne pas reconnaître la cause directe du phénomène représente un point de faiblesse dans de nombreux domaines industriels, en particulier dans le domaine de la production de béton et de béton renforcé de fibres.Dans ce travail de thèse, nous étudierons expérimentalement ainsi que théoriquement le DST dans une suspension de microparticules de carbonate de calcium chargée de fibres rigides de polyamide et de verre. La rhéologie de cette suspension simule le comportement de béton renforcé par des fibres Nous reproduisons à l'échelle réduite différents types d'écoulements ayant lieu dans le procédé de mise en place du béton, tels que malaxage par double hélice, pompage au travers des tubes, écoulement du jet en sortie du tube, et nous en tirons des comportements rhéologiques fondamentales applicables à tout type de mélanges « sphères-fibres ». En utilisant la rhéométrie de type « malaxage » (outils double hélice adapté au rhéomètre rotationnel), nous montrerons d'abord que l'ajout de fibres déplace la transition DST vers des taux de cisaillement critiques plus faibles, ce qui s'explique par une augmentation de la viscosité de la suspension, de sorte que le taux de cisaillement pour atteindre la contrainte de début de DST diminue. Cependant, le mélange se bloque à une fraction volumique de fibres supérieure ou égale à 4% ce qui est interprété en terme du seuil de percolation du réseau de fibres dans la matrice rhéoépaississante du carbonate de calcium .Nous monterons dans un deuxième temps que le comportement rhéologique dans un écoulement induit par un gradient de pression au travers un capillaire reste très semblable à celui dans un cisaillement simple, à condition d'appliquer correctement la correction de Mouni-Raboniwitch. Le modèle théorique basée sur l'approche d'homogénéisation permet de reproduire au moins semi-quantitativement les courbes d'écoulement dans la rhéométrie de type « malaxage » et les courbes pression-débit dans la rhéométrie capillaire en capturant bien le décalage de la transition DST avec l'ajout de fibres.Enfin, les instabilités du jet sous gravité de la suspension de carbonate de calcium avec et sans fibres de polyamide seront étudiées. Cette instabilité se manifeste par de fortes oscillations latérales de l'axe de symétrie axiale du jet accompagnées par une légère ondulation de la surface du jet. Nous réaliserons pour la première fois une analyse bidimensionnelle par transformée de Fourier directe (2D DFT) de la variation spatiotemporelle du diamètre du jet et de la déviation latérale du jet en régime DST. Nous montrerons que l'ajout de fibres de polyamide à différentes concentrations dans la suspension permet la stabilité du jet et favorise les fractures de celui-ci. Une explication théorique de l'apparition de l'instabilité latérale du jet et de l'effet stabilisateur des fibres sera ensuite développée à partir des évaluations des contraintes normales et des seuils inférieur et supérieur du DST.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04107103 , version 1 (26-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04107103 , version 1

Citer

Mounir Meloussi. Rheology of concentrated suspensions of sphere-fiber mixtures in view of applications to reinforced cementitious materials. Mechanics [physics]. Université Côte d'Azur; Université M'hamed Bougara de Boumerdès (Algérie), 2022. English. ⟨NNT : 2022COAZ4068⟩. ⟨tel-04107103⟩
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