Les mousses confinées dans
l’espace poreux d’empilements granulaires constituent des systèmes
multiphasiques complexes, dont le comportement diffère sensiblement de celui
des mousses en volume. Dans la perspective du développement de matériaux légers
innovants destinés à la construction ou à certaines applications géotechniques,
il est essentiel de bien comprendre ces systèmes. Dans ce contexte, la phase
liquide de la mousse peut être remplacée par un fluide complexe susceptible,
ultérieurement, de conférer une résistance mécanique à l’ensemble granulaire.
Avant d’introduire un tel niveau de complexité, il est toutefois nécessaire de
comprendre comment le confinement influence les propriétés d’écoulement de la
mousse liquide au sein du milieu poreux. Une fois installée dans les pores, la
mousse peut évoluer par drainage et par mûrissement, ce dernier processus
impliquant un échange de gaz entre les bulles, conduisant à une augmentation de
leur taille moyenne.

Cette thèse étudie
expérimentalement l’écoulement et le mûrissement de mousses liquides confinées
dans des empilements de grains sphériques, en mettant l’accent sur la manière
dont le taux de confinement — défini par le rapport entre la taille des bulles
et celle des grains —, la fraction liquide et les propriétés de la phase
continue influencent leur comportement global. Des expériences d’écoulement,
mesurant la relation pression-débit pour une mousse de taille de bulles
constante et de compressibilité réduite du gaz, révèlent que sa contrainte
seuil apparente augmente avec le taux de confinement. Des expériences en
clinostat, permettant de compenser les effets du drainage gravitaire, ont
ensuite permis de suivre précisément l’évolution des bulles à la paroi grâce à
une segmentation d’image avancée. Les résultats montrent que les bulles
atteignent finalement une limite imposée par la géométrie des pores, marquant
ainsi la fin du mûrissement, mais révèlent également l’existence d’un régime de
mûrissement accéléré précédant cette étape, phénomène jusqu’ici ignoré. Ces
observations démontrent que le comportement des mousses confinées ne peut être
directement déduit des propriétés des mousses en volume. Nous proposons
d’expliquer cette différence fondamentale par la distribution spécifique du
liquide dans l’espace poreux, en particulier la formation de ponts liquides aux
multiples contacts entre grains. Dans ce cadre, un modèle décrivant la
répartition du liquide et ses conséquences sur les propriétés physiques de la
mousse confinée a été développé et confronté avec succès à l’ensemble des
résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse.

L’étude s’étend ensuite aux
mousses de fluides complexes, en particulier aux mousses chargées de sphères
solides et à celles contenant des suspensions d’argile, afin d’examiner comment
les effets de taille finie des particules et la rhéologie de la phase continue
influencent le transport de la mousse dans l’espace poreux. Pour les mousses
chargées de particules, une taille critique des particules est identifiée : en
dessous de cette valeur, elles n’ont aucun effet particulier, tandis
qu’au-delà, leur transport n’est plus assuré par la mousse en écoulement. Dans
le cas des mousses d’argile, les paramètres rhéologiques de la suspension (contrainte
seuil et viscosité plastique) exercent une influence significative sur la
viscosité apparente de la mousse en écoulement, sans pour autant empêcher des
applications dans lesquelles ces mousses doivent envahir la porosité puis se solidifier
ultérieurement pour souder les grains entre eux.

Globalement, ces travaux relient la compréhension
fondamentale des empilements granuleux imbibés de mousse liquide à leurs
applications concrètes, offrant un cadre pour la conception de matériaux et de
procédés utilisés en construction et en ingénierie des sols.