4.2 Dynamique de recouvrance
4.2.2 Cas de différents matériaux viscoplastiques
Pour trois différents fluides à seuil, on examine ici les dynamiques particulaires dans la phase de recouvrance (7100 s) effectuée après l’arrêt d’un précisaillement bidirectionnel
en cycle de même intensité (1 s−1). Pour cette étude, on a fabriqué spécifiquement un gel
de carbopol purement aqueux de concentration massique 0,3 %, en suivant le protocole présenté au chapitre 3 mais en remplaçant le glycérol par de l’eau.
D’après les courbes d’écoulement (figure 4.17), on voit que le gel de carbopol (sans glycérol) présente un seuil d’écoulement plus important, un comportement plus visqueux, et ne possède pas de caractère thixotrope comme cela a été déjà plusieurs fois rapportée dans la littérature. Cette observation suggère que les gels à base de glycérol contiennent des particules de carbopol moins hydratées, et donc moins “gonflées”, et que le glycérol pourrait être à l’origine du caractère légèrement thixotrope (création d’une sorte de chevelure sur la particule ?). 0.1 1 10 100 1000 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Contrainte (Pa) Vitesse de cisaillement (s−1) carbopol carbopol (sans glycérol) laponite−carbopol
Figure 4.17: Rhéogrammes de trois fluides à seuil.
Au repos, les évolutions temporelles de la variation des angles de déformation des trois matériaux sont globalement similaires car chaque courbe montre classiquement deux pé-riodes de recouvrance (figure 4.18). Les amplitudes de l’angle de déformation recouvrée ne sont pas tout à fait les mêmes, surtout, aux premiers instants. Le gel de carbopol sans glycérol, qui est le plus visqueux, a la plus faible diminution de déformation. Pour le gel
4.2 Dynamique de recouvrance
mixte laponite-carbopol, on observe une oscillation de la variation de l’angle de déforma-tion au début du repos qui est la signature typique du couplage entre l’inertie du système et l’élasticité du matériau. Ce phénomène qui doit exister pour tous les autres cas étudiés n’est pas mis en évidence vraisemblablement à cause de la fréquence d’échantillonnage qui doit être trop faible. On a fait le choix de s’affranchir de cette évolution en considérant seulement les instants supérieurs à 2 s. On a ainsi une récupération de déformation initiale qui est voisine de celle du gel de carbopol sans glycérol. Parmi tous les matériaux, seul le gel de carbopol avec glycérol présente une amplitude recouvrée initiale très importante.
−0.04 −0.035 −0.03 −0.025 −0.02 −0.015 −0.01 −0.005 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 φ − φmax (rad) t (s) Point d’oscillation de déformation
carbopol carbopol (sans glycérol) laponite−carbopol
Figure 4.18: Evolutions temporelles de la variation des angles de déformation obtenues après l’arrêt du précisaillement de 1 s−1 (cas de trois fluides à seuil).
Les mouvements des micro particules ensemencées dans les trois matériaux, visualisés durant la phase de recouvrance, sont différents (figure 4.19(a)). En considérant seulement
les données obtenues à partir de l’instant t = 2 s, les trajectoires particulaires deviennent
comme indiquées sur la figure 4.19(b). Cela permet de s’affranchir d’un déplacement
de plus de 50 µm lors de la phase oscillatoire initiale du gel mixte laponite-carbopol.
Cela facilite ainsi la comparaison des trajectoires particulaires en ayant un déplacement
unidirectionnel selon x et en ayant une même origine initiale.
Pour chaque cas de matériau, les particules observées suivent une trajectoire tangen-tielle au début du repos. La recouvrance élastique instantanée se caractérise alors par une phase balistique des particules. La durée et l’étendue de cette phase dépendent des propriétés spécifiques (élasticité et viscosité) de chaque matériau. On retrouve la hié-rarchisation vue sur l’évolution temporelle de l’angle de la géométrie. Le caractère local visqueux limite la portée du déplacement (cas du gel de carbopol purement aqueux). Il en va de même lorsque le caractère viscoélastique se redéveloppe du fait des interactions à l’origine de la thixotropie (cas du gel mixte laponite-carbopol qui est plus thixotrope que le gel de carbopol avec glycérol). La seconde phase de déplacement particulaire, qui correspond à l’évolution lente de l’angle macroscopique de recouvrance, présente deux types d’évolution qui sont liées à l’environnement rhéologique local vu par les particules.
4. Comportement des sédiments modèles sollicités mécaniquement en configuration viscosimétrique −140 −120 −100 −80 −60 −40 −20 0 20 −100 −50 0 50 100 Y ( µ m) X (µm) tangent line laponite−carbopol carbopol carbopol (no glycerol)
−140 −120 −100 −80 −60 −40 −20 0 20 −100 −50 0 50 100 Y ( µ m) X (µm) tangent line laponite−carbopol carbopol carbopol (no glycerol)
(a) (b) 1 10 100 1000 1 10 100 1000 10000 dcu ( µ m) t (s) theory laponite−carbopol carbopol carbopol (no glycerol)
(c)
Figure 4.19: Dynamiques particulaires observées après l’arrêt du précisaillement oscil-latoire de même amplitude (PS = 1 s−1) : (a) et (b) trajectoires de particule à partir de l’instantt = 0 s et de l’instant t = 2 s, (c) évolutions temporelles du déplacement cumulé de particule à partir det = 2 s. Pour les figures (a) et (b), on fixe, à chaque fois, l’origine comme étant la position initiale observée de la particule.
Pour les gels de carbopol, on observe, après une étape intermédiaire, des trajectoires linéaires selon la direction radiale dans le sens centrifuge. Une déviation prononcée par rapport à la direction radiale est toutefois visible pour le gel de carbopol purement aqueux. Dans le cas du gel mixte laponite-carbopol, la phase intermédiaire débouche sur un com-portement plus spécifique. On assiste à un déplacement moyen, lent et en décélération, selon la direction tangentielle couplée à des mouvements oscillatoires instantanés impor-tants selon la direction radiale (voir encadré de la figure 4.19(a)). Cette évolution laisse penser que la particule devient localement confinée. Il est important de noter que l’éten-due spatiale du domaine associé à cette seconde phase est importante lorsque le matériau est non thixotrope (gel de carbopol sans glycérol), qu’elle est réduite lorsqu’un léger ca-ractère thixotrope apparaît (gel de carbopol avec glycérol) et qu’elle est faible lorsque la thixotropie est significative (gel mixte laponite-carbopol). Cela signifie que les interactions à l’origine de la restructuration du matériau modifient localement l’organisation spatiale (mobilité et taille de clusters) dans des proportions plus ou moins fortes selon les temps caractéristiques et l’intensité des interactions. La distribution des sources de contrainte, telle que proposée par Cipelletti et al. [23], serait donc affectée en nombre et en intensité