Notre groupe de recherche s’intéresse à la rhéologie des matériaux granulaires denses — notamment humides insaturés — mais également à leurs propriétés acoustiques. Expérimentalement, nous les étudions à l’aide de plans inclinés, de rhéomètres, et, plus récemment, d’une cellule rotative permettant de déclencher des avalanches de manière quasistatique. Nous étudions également les propriétés de ces milieux via des simulations numériques, forts de nos vingt années d’expérience dans le domaine.
Rhéologie et structure des matériaux granulaires humides insaturés
A. Fall, J.-N. Roux, F. Chevoir, A. Awdi (PhD), C. Chateau (ME)
Collaborations : S. Debœuf (d’Alembert)
Les expériences, pour un matériau modèle constitué de billes de polystyrène mouillées par une huile de silicone, et les simulations par « éléments discrets » (DEM), sont en bon accord quantitatif [49]. Elles conduisent à des modèles rhéologiques de type « µ(I) », dont la généralisation aux matériaux cohésifs fait intervenir la pression réduite P∗ définie à partir du diamètre des grains d, de la contrainte contrôlée P et de la force intergranulaire attractive (proportionnelle à d et à la tension interfaciale) F0 comme P∗ = P d2/F0, en sus du nombre inertiel I. Récemment, l’étude expérimentale de la rhéologie de ces matériaux a été étendue aux écoulements gravitaires sur plan incliné [50], en collaboration avec l’lnstitut Jean Le Rond d’Alembert. La micromorphologie est observée en DEM et aussi expérimentalement, par microtomographie X dans un dispositif spécialement conçu pour observer l’évolution microstructurale sous cisaillement. Des images 3D détaillées sont ainsi obtenues à différentes étapes de déformation. Des techniques avancées de segmentation d’image, faisant appel à l’intelligence artificielle, permettent une analyse précise de la microstructure (arrangement des grains, évolution de la morphologie des ponts liquides dans la déformation), pouvant aller au-delà du régime pendulaire des ponts liquides isolés (thèse d’Ahmad Awdi, co-encadrée avec C. Chateau de l’équipe Multiéchelle). Un autre développement récent de ces recherches est l’étude des effets visqueux dans les ponts liquides, pour des sollicitations monotones, ou cycliques de grande amplitude [51]. Les résultats montrent notamment que les propriétés rhéologiques sont déterminées par un nombre viscoinertiel J, combinant le nombre inertiel et le nombre visqueux Iv, adopté pour décrire la rhéologie des suspensions denses en régime de Stokes, sous la forme J = Iv + 2I²
Mesure du contenu en eau d’un milieu granulaire insaturé par microtomographie X. (a) Microtomographe X et géométrie insérée (b) Vue en coupe de la cellule de cisaillement. (c) Platines de translation et rotation constituant le bas de la cellule de cisaillement
Vue en coupe de la teneur en eau d’un milieu granulaire insaturé, (à gauche) dans l’état initial, (à droite) après 10 minutes de cisaillement
Ponts liquides et morphologies plus complexes de l’eau interstitielle entre des paires (triplets, quadruplets, …) de grains.
Références
- Rheology and microstructure of unsaturated wet granular materials: Experiments and simulations, D. Hautemayou, M. Badetti, A. Fall, S. Rodts, P. Aimedieu, J.-N. Roux, and F. Chevoir, Journal of Rheology 62(5), 1175–1186 (2018).
- Cohesion and aggregates in unsaturated wet granular flows down a rough incline, S. Deboeuf and A. Fall, Journal of Rheology 67(4), 909–922 (2023)
- Viscous dissipation in large amplitude oscillatory shear of unsaturated wet granular matter, A. Awdi, C. Chateau, F. Chevoir, J.-N. Roux and A. Fall, Journal of Rheology 67(2), 365–372 (2023)
Diffusion d’ondes acoustiques dans les milieux granulaires immergés
J. Léopoldès, V. Langlois, I. Awada (PhD), M. Bornert (ME)
La propagation d’ondes élastiques est utilisée dans un modèle numérique simple pour caractériser les propriétés du matériau granulaire à différentes échelles d’espace et de temps et identifier d’éventuelles variables supplémentaires pertinentes (telles les rotations). Par ailleurs, dans la thèse d’Ibrahim Awada nous étudions la diffusion multiple des ondes ultrasonores dans les suspensions granulaires denses. Nous avons montré que la corrélation des signaux ultrasonores transmis permet d’estimer des déformations locales, à l’échelle des grains, de l’ordre de 0.00001. Cette méthode a été appliquée à un assemblage granulaire en régime solide plastique, l’échantillon étant placé dans un tambour tournant oscillant en dessous de l’angle de repos. Elle rend compte quantitativement du processus de compaction et détecte les événements locaux précurseurs de l’avalanche. Ces résultats font l’objet d’un article en préparation.
Références
- Probing intermittency and reversibility in a dense granular suspension under shear using multiply scattered ultrasound, J. Léopoldès and X. Jia, Soft Matter 16, 10716-10722 (2020)