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RÉSUMÉ
Le rhé-épaississement est un phénomène observé dans certaines suspensions denses de particules. Il consiste en une augmentation parfois brutale de leur viscosité lorsqu'elles sont soumises à une forte contrainte. Ce comportement, très utile pour certaines applications technologiques, peut aussi s'avérer problématique dans certains processus industriels. Longtemps resté une énigme, le rhé-épaississement est désormais décrit de façon cohérente par le modèle de transition frictionnelle. Cet article présente ce modèle ainsi que les études numériques et expérimentales qui le valident. Sont ensuite abordées différentes perspectives d'applications offertes par la compréhension de ce phénomène.
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Cécile CLAVAUD : Doctorante contractuelle - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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Antoine BÉRUT : Post-doctorant - Institut de Physique de Rennes - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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Bloen METZGER : Chargé de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
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Yoël FORTERRE : Directeur de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI, Marseille, France
INTRODUCTION
Certaines suspensions de particules ont la propriété de passer d’un comportement liquide, lorsqu’elles sont au repos ou qu’elles s’écoulent sous l’effet d’une faible contrainte, à un comportement solide lorsqu’elles sont sollicitées au-delà d’une contrainte critique. Cette propriété de rhéo-épaississement fascine les scientifiques et attire l’attention de nombreux industriels depuis longtemps. Ces derniers tentent pour la plupart d’éviter les dommages qu’une telle transition peut causer sur certaines installations (endommagement des mélangeurs, bouchage de conduites). D’autres en revanche utilisent cette propriété pour l’élaboration de matériaux innovants tels que des armures souples, des bétons auto-plaçants ou encore des protections médicales.
L’origine du rhéo-épaississement des suspensions est longtemps restée obscure. Cependant, des prédictions théoriques récentes fournissent enfin un scénario cohérent pour expliquer cette transition. L’objectif de cet article est de présenter ce modèle dit de transition frictionnelle, ainsi que les différentes études numériques et expérimentales qui le valident.
La compréhension du rhéo-épaississement devrait permettre de rationaliser certaines pratiques industrielles restées jusqu’alors empiriques. Nous illustrons en particulier au paragraphe 4 comment le modèle de transition frictionnelle permet d’interpréter une innovation qui a révolutionné l’industrie du béton. Ce scénario offre aussi des perspectives prometteuses pour l’élaboration de fluides “intelligents”dont la rhéologie peut être ajustée à la demande.
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2. Modèle de transition frictionnelle
2.1 Rhéologie d’une suspension idéale : analyse dimensionnelle
Pour comprendre le rhéo-épaississement, il est utile d’aborder en premier lieu le cas d’une suspension idéale constituée de sphères dures non browniennes immergées dans un fluide newtonien (figure 5 a ). Dans ce type de système, les particules interagissent via les forces hydrodynamiques (traînée, lubrification) et les forces de contact solide (non-interpénétration, frottement solide). On peut montrer par un argument d’analyse dimensionnelle que la rhéologie d’une telle suspension est, à l’instar du fluide suspendant, purement newtonienne. En effet, les variables dont dépend le comportement de cette suspension sont le diamètre des particules d, la viscosité du fluide suspendant
, le taux de cisaillement
et la fraction volumique en particules ϕ. On peut montrer qu’un seul nombre sans dimension peut être construit à partir de ces grandeurs : la fraction volumique ϕ. L’analyse dimensionelle impose alors que la viscosité de la suspension
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BIBLIOGRAPHIE
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(4) - BROWN (E.), JAEGER (H.M.) - Shear thickening in concentrated suspensions : phenomenology, mechanisms and relations to jamming. - Reports on Progress in Physics, 77(4) (2014).
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(5) - BROWN (E.), JAEGER (H.M.) - The role of dilation and confining stresses in shear thickening of dense suspensions. - Journal of Rheology, 56(4) : 875-923 (2012).
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(6) - TRACTON...
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