Multi-modal investigation of hygroscopic granular media at high relative humidity
Etude multimodale des milieux granulaires hygroscopiques à humidité relative élevée
Résumé
Water strongly influences the behaviour of granular media. A distinction can be made based on whether the particles themselves are water-sensitive. For granular assemblies composed of impermeable particles such as sand, the presence of water affects the effective stress and induce capillary forces. But there are many materials where the chemo-mechanical behaviour of the particles themselves mutates in contact with water (e.g., food, cereals, pharmaceutical excipients).Namely, an increase of water content activates the relaxation of the polymer chains. This translates to phenomena observable at the particle scale such as swelling, closing of pores, opening of fissures, debonding of layers, as well as reduction in mechanical properties. Collectively, these particle-scale phenomena lead to agglomeration, and loss of overall strength and granular flow properties. Their extent depends on the material, but affects numerous applications, specifically in pharmaceutical and food industry. When these properties change and alter the product functionality a loss in resources generally ensues, which in turn raises important economical and ethical issues. Previous studies focused their attention on either the effects of the increase in water content on the macroscopic response of several such materials or, in some cases, on the properties of individual particles driving them. The connection between particle-scale and assembly-scale behaviours appears to be largely ignored in the literature, and is the main focus of this doctoral thesis. We investigate the response under compression at high relative humidity of a widespread hygroscopic granular material: fine couscous. Its particle-scale processes are representative of several other water-sensitive materials and its size is ideal for several of particle-scale approaches employed here. With higher water content couscous particles swell, become more deformable and agglomerate. The study was conducted through a combination of experimental approaches including mechanical testing, in-operando x-ray and neutron tomography, as well as time-domain nuclear magnetic resonance (NMR). Particle-scale numerical approaches complement the observations and explore the role of quantities not directly measurable. We adopt x-ray tomography to characterise in 4D (3D+time) the evolving microstructure and quantify it through bespoke image analysis algorithms. We compare the swelling of each particle to the volumetric response of their assembly and its porosity, revealing a competition between dilation and loss of mechanical properties. We measure the number, area and orientation of each granular contacts and correlate it with both particle swelling and macroscopic boundary conditions. Neutron tomographies, acquired simultaneously to x-ray ones, allow for additionally measuring of the water content inside each particle to reveal the connection with the kinematic response obtained from the x-rays. Swelling and absorption gradients across the sample are observed and quantified. The particle swelling and contact area growth are then related to water content. NMR provides direct insight in the polymer relaxation process at the molecular scale and complements the neutron imaging information on the absorption rate. Coupled with x-ray tomography, it confirms the swelling-water content relation from neutron imaging. The results are complemented by other particle-scale and sample-scale mechanical tests. These help relate the agglomeration (cohesion) of the particle assembly as well as the evolving particle stiffness to the observed evolution of the microstructure and water content. Finally, we developed a DEM (Discrete Element Method) numerical model with swelling particles and evolving particle stiffness to describe the experimentally observed behaviour. This allows us to explore different boundary conditions but also to assess the role of quantities not directly measurable from the experiments.
L'eau influence fortement le comportement des milieux granulaires. Une distinction peut être faite selon que les particules elles-mêmes sont ou non eau-sensibles. Pour les particules imperméables comme le sable, la présence d'eau affecte la contrainte effective et induit des forces capillaires. Mais il existe de nombreux matériaux où le comportement chimico-mécanique des particules se modifie au contact de l'eau (aliments, céréales, médicaments, ...). Une augmentation de la teneur en eau active la relaxation des chaînes polymères. Cela se traduit par des phénomènes à l'échelle de la particule comme le gonflement, la fermeture des pores, l'ouverture des fissures, le décollement des couches, et la réduction des propriétés mécaniques. Ces phénomènes conduisent à une agglomération et à une perte de la résistance globale et des propriétés d'écoulement granulaire. Leur ampleur dépend du matériau, mais affecte de nombreuses applications, notamment dans l'industrie pharmaceutique et alimentaire. Lorsque ces propriétés changent et altèrent la fonctionnalité du produit, il s'ensuit généralement une perte de ressources, ce qui soulève d'importantes questions économiques et éthiques. Les études précédentes ont concentré leur attention sur les effets de la teneur en eau sur la réponse macroscopique de plusieurs de ces matériaux et sur les propriétés des particules individuelles qui les animent. Le lien entre l'échelle des particules et l'échelle d'assemblage semble être largement ignoré dans la littérature, et constitue l'objet principal de cette thèse. Nous étudions la réponse sous compression à une humidité relative élevée d'un matériau granulaire hygroscopique : fin couscous. Il est représentatif de plusieurs autres matériaux eau-sensibles et sa taille est idéale pour les approches employées ici. En augmentant la teneur en eau, les particules gonflent gonflent, deviennent plus déformables et s'agglomèrent. Nous utilisons une combinaison d'approches expérimentales comprenant des essais mécaniques, la tomographie à rayons X et à neutrons, ainsi que la résonance magnétique nucléaire (NMR). Des approches numériques à l'échelle des particules complètent les observations et explorent le rôle des quantités non directement mesurables. La tomographie à rayons X nous permet d'analyser la microstructure en évolution et la quantifier. Le gonflement de chaque particule est comparé à la réponse volumétrique de l’echantillon et à sa porosité, révélant une compétition entre dilatation et perte de propriétés mécaniques. La surface et l'orientation de chaque contact granulaire sont corrélés avec le gonflement des particules et les conditions limites macroscopiques. La tomographie à neutrons, simultanée à celle aux rayons X, permettent de mesurer la teneur en eau de chaque particule pour révéler le lien avec la réponse cinématique. Les gradients de gonflement et d'absorption sont observés et quantifiés. Le gonflement des particules et la croissance de la surface de contact sont ensuite liés à la teneur en eau. La NMR fournit un aperçu direct du processus de relaxation du polymère à l'échelle moléculaire et complète les informations de l'imagerie à neutrons. Couplée à la tomographie à rayons X, la NMR confirme la relation entre le gonflement et la teneur en eau obtenue par imagerie neutronique. Les résultats sont complétés par d'autres tests mécaniques à l'échelle des particules et des échantillons. Ceux-ci permettent de relier l'agglomération de l'assemblage de particules ainsi que l'évolution de la rigidité des particules à l'évolution observée de la microstructure et de la teneur en eau. Enfin, nous avons développé un modèle numérique DEM (Discrete Element Method) avec des particules gonflantes et une rigidité particulaire évolutive pour décrire le comportement observé expérimentalement. Cela nous permet d'explorer différentes conditions aux limites mais aussi d'évaluer le rôle des quantités non directement mesurables à partir des expériences.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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