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.