B.4 Résultats expérimentaux
B.4.1 Caractérisation des tensioactifs et des mélanges Carbopol®-tensioactifs
B.4.1.1 Paramètres rhéologiques : consistance et index
Afin d estimer l influence de la concentration en Carbopol® sur le seuil de mise en écoulement, plusieurs essais rhéométriques sont réalisés. Le premier essai débute à une concentration en Carbopol® de 5 g/l. Le gel de Carbopol® est ensuite progressivement dilué.
Tableau B. 3. Effet de la concentration en Carbopol® sur le seuil de mise en écoulement.
Essai Concentration en Carbopol® [g/l] Seuil de mise en écoulement τs [Pa] 1 5,00 120 2 4,55 117 3 4,00 106 4 3,33 71 5 2,67 38 6 2,22 21 7 1,67 4
La Figure B. 17 - gauche indique une superposition des courbes de chargement et déchargement des essais réalisés avec les 7 solutions de gel de Carbopol® de concentrations différents. Comme l avait montré Ovarlez et al. [132], la non thixotropie du gel de Carbopol® est vérifiée. Les courbes divergent uniquement pour de faibles taux de cisaillement (γ̇ < , s− . Le caractère élastique du fluide aux faibles déformations justifie cette divergence. Lors de la croissance de la vitesse de déformation, dès que � ≥ � , le matériau s écoule, le modèle d (erschel-Bulkley peut être ajustée sur la courbe d écoulement. Lors de la rampe décroissante, lorsque � atteint la limite de contrainte seuil � = � , la vitesse de déformation s annule. Le gel présente un comportement rhéologique de même nature pour différentes concentrations en Carbopol®.
Figure B. 17. Rhéogramme de gel de Carbopol® de concentrations différentes (gauche) et seuil de mise en écoulement associés (droite).
Les valeurs de contrainte seuil du fluide modèle sont ainsi modulables en adaptant la concentration en Carbopol® (Figure B. 17 – droite . L étude du comportement de bulles à différents stades du raidissement d une pâte minérale réactive, de son état frais jusqu au début de sa prise est ainsi réalisable.
1 10 100 1 000
5,E-03 5,E-02 5,E-01 5,E+00 5,E+01 5,E+02 . τs = 120 Pa . τs = 117 Pa
. τs = 106 Pa . τs = 71 Pa . τs = 38 Pa . τs = 21 Pa
Taux de cisaillement [s¯¹] Contrainte de cisaillement τ [Pa]
0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 Concentration Carbopol® [mg/l] Seuil de mise en écoulement τs [Pa]
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B.4.1.2 Impact du tensioactif sur le seuil
Les suspensions minérales utilisées dans cette thèse sont adjuvantées. Afin de contrôler l impact de ces adjuvants sur le fluide modèle, le seuil de mise en écoulement de gel de Carbopol® à diverses concentrations en tensioactif est étudié (la concentration en poudre de Carbopol® est identique . L exemple présenté sur la Figure B. 18 correspond à l ajout d (ostapur OSB®
(référence C07 - Tableau B. 4) dans un gel de Carbopol® de contrainte seuil � = .
Figure B. 18. Rhéogramme du Carbopol® C07 pour différents dosages en tensioactif.
Des résultats similaires sont obtenus pour différents gels de Carbopols® de seuils initiaux différents. Les paramètres du modèle rhéologique sont identifiés en ajustant la loi de Herschel-Bulkley sur les enregistrements (Tableau B. 4). Comme le montrent la Figure B. 18 et le Tableau B. 4, laugmentation du dosage en tensioactif d conduit à une diminution du seuil. Cette diminution atteint 30 % avec un ajout de seulement 0,012 % de tensioactif. La consistance k semble moins affectée (Equation (B. 8)). L insertion de molécules tensioactives dans le
Carbopol® présente notamment un intérêt pour l étude des phénomènes de coalescence
(cf. partie B.4.4).
Tableau B. 4. Paramètres du modèle d’(erschel-Bulkley (Equation (B. 8)).
Carbopol® Dosage tensioactif d [%] Concentration Carbopol® [%] τs [Pa] k [Pa-1/ n] n C01 0 0,271 71 12,02 0,351 C02 0 0,214 33 9,02 0,199 C04 0 0,272 26 11,68 0,161 C07-d1 0 0,356 37 9,02 0,195 C07-d2 0,0015 0,356 34 8,45 0,180 C07-d3 0,0030 0,356 34 8,70 0,180 C07-d4 0,0045 0,356 33 8,87 0,181 C07-d5 0,0060 0,356 30 7,83 0,180 C07-d6 0,0120 0,356 27 7,25 0,158 C11-c1 0,0030 0,440 34 10,66 0,179 C11-c2 0,0030 0,396 27 9,60 0,155 C11-c3 0,0030 0,356 18 8,68 0,114 C11-c4 0,0030 0,321 15 7,23 0,100 C10-c1 0 0,440 40 9,29 0,198 C10-c2 0 0,396 27 7,32 0,143 C10-c3 0 0,356 18 7,31 0,100 C10-c4 0 0,321 13 5,93 0,086 10 100 0,005 0,5 50 Tau de isaille e t [s⁻¹] d=0% d=0.0015% d=0.0045% d=0.006% d=0.012%
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B.4.1.3 Tension de surface, CMC
Les résultats des essais CMC sont présentés Figure B. 19. )l faut noter qu un repos de minutes
est réalisé entre chaque mesure de tension de surface. La tension de surface de l AER Sika est
impossible à déterminer, car ce produit en poudre est extrêmement difficile à dissoudre dans l eau. La CMC du Neopor n a pu également être déterminée. Une première mesure a été effectuée
avec une solution dont la concentration évoluait de 6300 mg/l jusqu à mg/l, sans succès, les
résultats ne permettant pas d identifier une CMC. Une seconde manipulation, à partir d une concentration initiale de 100000 mg/l jusqu à mg/l a été effectuée, mais la rupture de pente, caractéristique d une CMC n a pas été observée. Le Neopor semble être un tensioactif peu puissant, à sa concentration maximale (100000 mg/l , la tension de surface n atteint que 44 mN/m. Le comportement singulier des tensioactifs protéiniques énoncé par Saint-Jalmes et al. [101] se retrouve ici.
Les tensioactifs CTAB et Cetrimide (cationiques) présentent un comportement très similaire, leurs CMC sont très proches (CMCCTAB = 1305 mg/l et CMCHostapur OSB = 994 mg/l). Les tensions de surface atteintes à la CMC sont basses et très proches (37,9 et 37,3 mN/m). Ces similitudes sont normales, ces molécules sont toutes deux de même nature et leurs compositions chimiques sont très proches. L (ostapur OSB anionique a également un comportement assez semblable. Il semble toutefois légèrement plus puissant, la CMC est atteinte à une concentration plus faible et la valeur de tension de surface à cette concentration est plus faible, γCMC = 34,3 mN/m. Le Microair est le tensioactif obtenant la tension de surface la plus faible, γCMC = 25,2 mN/m à la concentration de 3270 mg/l.
Figure B. 19. Evaluation de la CMC.
Enfin, la tension de surface du superplastifiant utilisé dans la formulation des mousses minérales (partie C de ce mémoire) a été évaluée sur une gamme de concentration assez large. Le rôle de ce composé est de faciliter la dispersion de particules fines dans une suspension concentrée afin de conserver une rhéologie identique tout en diminuant la quantité deau. )l apparaît que le superplastifiant SP20 va également impacter la tension de surface (Figure B. 19). Ce résultat avait été pressentit par Łaźniewska-Piekarczyk [133].
20 30 40 50 60 70 100 1000 10000 100000 Dosage en tensioactif d [mg/l] Eau pure Hostapur OSB CTAB Cetrimide Neopor Microair SP20 Tension de surface γ [mN/m]
69 Tableau B. 5. Essais CMC.
Nom Formule chimique Type de tensioactif CMC [mg/l] γCMC [mN.m-1] Hostapur
OSB
90 % sodium alpha-olefin sulfonate
(AOS) Anionique 994 34,3 CTAB Hexadécyle triméthyle ammonium bromide Cationique 1070 37,3 Cetrimide Tetradécyle triméthyle ammonium bromide Cationique 1305 37,9
Neopor 2-butoxy éthanol ethylène glycol monobutyle éther; Fer (II) sulfate, heptahydrate
Hydrolysat de protéine
aqueuse Inaccessible Pas de CMC AER Sika Polymère Acrylnitrile (Polymère modifié) Inconnu Inaccessible Inaccessible
Microair Inconnue PEG acide gras 3270 25,2
B.4.1.4 Pouvoir moussant
Les essais réalisés à débit et concentration constante selon le protocole de mesure de l ENSRC permettent un premier classement des tensioactifs. Pour chacun des essais, la solution de tensioactif a un dosage égal à la CMC. La CMC du Neopor et de l AER Sika n ayant pu être déterminée, l essai de pouvoir moussant est réalisé avec un dosage de , % pour ces deux tensioactifs.
L essai de moussabilité ENSCR n a été concluant que pour deux tensioactifs, l (ostapur OSB et le Neopor. La mousse issue de la solution d (ostapur OSB est formée de petites bulles monodisperses. La mousse s accumule progressivement dans le bécher gradué de litres et celui-ci est rempli au bout de 5 minutes et 40 secondes. La mousse issue du Neopor est légèrement plus polydisperse. Quelques rares bulles coalescent entre elles et le remplissage du bécher gradué et légèrement plus rapide (5 minutes). Une fois le bécher rempli, les mousses sont laissées au repos et leurs volumes diminuent progressivement. La diminution du volume de la mousse est causée par le drainage qui fragilise les films entres bulles qui finissent par rompre. Ces deux mousses, bien qu étant légèrement différentes disparaissent au même rythme. Au bout de 10 minutes les mousses ont perdu 90 % de leurs volumes initiaux. Ce premier essai de moussabilité désigne l Hostapur OSB et le Neopor comme meilleurs tensioactifs.
Le protocole expérimental développé au LGCGM permet d affiner les résultats. Sur ce nouveau
montage, le débit d air injecté est variable. Le débit maximal atteint est supérieur au débit imposé de l essai de moussabilité de l ENSCR. Les résultats sont présentés dans le Tableau B. 6. Le code couleur gris clair signifie que la moussabilité est bonne à faible débit, la mousse est produite abondamment et monte petit à petit dans la colonne de plexiglas. Au bout d un moment, l essai doit être arrêté pour éviter que la mousse n atteigne le haut de la colonne et ne s en échappe. Le code couleur gris intermédiaire signifie que le faible débit n a pas suffi à faire mousser la solution, mais que le passage au débit élevé a permis à la mousse de se former. Enfin, le code couleur gris foncé signifie que la solution n a jamais produit de mousse.
Tableau B. 6. Résultats des essais de moussabilité du LGCGM.
Concentration Hostapur CTAB Cetrimide Microair Concentration AER Neopor Mousse à bas débit
CMC/10 1 4 7 0,0001% 16 13 Mousse à fort débit
CMC/2 2 5 8 19 0,001% 17 14 Ne mousse pas
CMC 3 6 9 20 0,01% 18 15
2 CMC 10 21
4 CMC 11 22
70 L Hostapur OSB présente une très bonne moussabilité, la mousse se forme sans problème, même à très faible concentration (1/10 CMC). Une solution de CTAB à sa valeur de CMC mousse à faible débit. La moussabilité à des concentrations inférieures n est possible qu en augmentant le débit d air. La moussabilité du Cetrimide et du Microair est relativement identique, la formation de mousse à la CMC n est possible qu avec un fort débit d air. Néanmoins, la solution de Cetrimide parvient à mousser à faible débit avec une concentration valant 8 CMC contrairement à celle du Microair. Enfin, le Neopor présente une bonne moussabilité à faible débit d air pour une concentration de 0,01 %. À cette même concentration, l AER Sika parvient à former de la mousse, mais uniquement à fort débit.
)l ressort de ces deux essais que l (ostapur OSB est le tensioactif le plus performant. Il présente une bonne moussabilité même à très faible concentration. Le Neopor semble également être un bon tensioactif puisqu il a moussé à une concentration de , % lors de l essai de moussabilité de l ENSCR. À l inverse, l AER Sika et le Microair ont un pouvoir moussant faible. Le classement issu de ces essais de moussabilité est présenté dans le Tableau B. 7 ci-dessous :
Tableau B. 7. Moussabilité : Classement des tensioactifs.
Classement 1 2 3 4 5 6
Tensioactif Hostapur OSB Neopor CTAB Cetrimide Microair AER
Ces essais sont réalisés dans l eau. Au sein d une suspension minérale, les molécules tensioactives sont en présence de nombreux composés, il est probable que ce classement évolue.