Influence de la teneur en eau

Dans cette partie du chapitre, nous allons nous intéresser à l’influence de la teneur en eau sur les paramètres des lois de comportement. Comme il a été présenté dans le chapitre 1, le comportement de la pâte céramique est dépendant de la teneur en eau. C’est pourquoi un grand nombre d’études vise à déterminer la teneur en eau optimale du mélange. La figure II-32 présente l’évolution de la consistance d’une pâte céramique en fonction de la teneur en eau.

Figure II - 32 : Variation de la consistance avec la teneur en eau (Doménech et al, 1994)

Dans le domaine d’état plastique, une loi puissance (Bloor, 1957) est souvent utilisée pour traduire la variation de la consistance avec la teneur en eau μ

= (II - 41)

Avec W la consistance apparente, a et b des paramètres constitutifs du matériau et H la teneur en eau. Le choix de cette variation s’explique par la nature des essais effectués. Pour traiter les essais d’indentation, les résultats sont souvent considérés linéaires dans un graphique log log. Cela justifie le choix de l’équation II-41. Coussot (1995) a étudié le comportement rhéologique de suspensions eau- argile à partir d’essais réalisés à l’aide d’un rhéomètre plan-plan. Il a constaté une évolution exponentielle du seuil en fonction de la concentration solide sur un domaine de concentration solide de 15 à 50 %. Cette plage de concentrations solide est équivalente respectivement à une plage de teneur en eau comprise entre 37% et 150 % (en % de la masse sèche). Dans ses travaux, Beaumel (1998) a

domaine de variation de teneur en eau assez restreint (16% jusqu’à 30%). L’extrapolation du modèle présenté par Coussot, lui a permis de modéliser par une exponentielle décroissante l’évolution de la contrainte de cisaillement avec l’augmentation de la teneur en eau sur son domaine d’étude.

Figure II - 33 : Evolution de la consistance pour une humidité variant de 17 à 27 % de la masse sèche

La figure II-33 montre l’évolution de la consistance en fonction de l’humidité de la pâte. Les points rouges correspondent aux valeurs déterminées expérimentalement. La répétabilité des mesures est correcte. La variation du logarithme de la consistance avec la teneur en eau est linéaire. On utilise donc une fonction similaire à celle utilisée par Beaumel, pour modéliser l’influence de l’humidité sur la consistanceμ

= . − [%]

Avec K et ξ deux constantes du modèle μ = 26800 kPa.s

= ,

(II - 42)

Le paramètre est lié à l’influence de la variation de la teneur en eau. Le paramètre identifié par Beaumel, sur un mélange argileux différent, est du même ordre de grandeur ( = , ). Les paramètres de sensibilité à la vitesse de déformation et à l’écrouissage ne sont pas directement influencés par la variation d’humidité. Leurs valeurs restent constantes, respectivement à 0,03 et 0. La figure II-34 montre l’évolution du module d’élasticité apparent en fonction de l’humidité. On constate une évolution similaire entre le module d’élasticité apparent et la consistance avec la teneur en eau. On peut noter une dispersion plus élevée des résultats pour les taux d’humidité les plus faibles. Cela peut s’expliquer par une hausse des défauts de géométrie. En effet, l’extraction manuelle des lopins d’argile est plus difficile lorsque la matière est plus dure.

16 18 20 22 24 26 28 0 100 200 300 400 500 600

Humidité [en % de masse séche]

Co n s is ta n c e [ k P a .s ] Points expérimentaux Modèle

Figure II - 34 : Evolution du module d’élasticité pour une humidité variant de 17 à 27 % de la masse sèche La courbe en noir représente le modèle de variation du module d’élasticité apparent en fonction de l’humidité identifiée à partir des essais. Il est défini par l’équation suivante μ

= . − [%]

Avec E et ξ deux constantes du modèle μ = 540 MPa

= ,

(II - 43)

Le paramètre ξ a été supposé identique dans le cas du module d’élasticité et de la consistance. Les résultats de consistance identifiés étant moins dispersés (moins sensible aux défauts de géométrie), la valeur de ξ a été identifiée à partir de la courbe consistance-humidité.

Cette équation n’est pas sans rappeler le modèle empirique défini par Spriggs (1961) et Spriggs et Brissette (1962) présenté à l’équation II-44. Ce modèle lie le module d’élasticité apparent d’une céramique au taux de porosité.

= . − . �

Avec b une constante définie expérimentalement et ϕ le taux de porosité.

(II - 44)

Dans le cas de la pâte d’argile, les porosités sont remplies d’eau (eau libre) (Beaumel, 1998).

2.3.3

Influence de la pression d’extrusion

Lors de la phase d’extrusion, la pâte d’argile est soumise à une pression lors de son passage dans la filière. La pression d’extrusion est dépendante de la section de sortie de la filière. Dans le procédé industriel, le changement de dimension des filières est fréquent (ajustement des tailles de galette, changement du produits,…). Il est donc important de vérifier si une augmentation de la pression dans

16 18 20 22 24 26 28 0 2 4 6 8 10 12

Humidité [en % de masse séche]

M o d u le d e Y o u n g [ M Pa ] Points expérimentaux Modèle

2.3.3.1 Matériaux utilisés :

Pour vérifier son influence sur le comportement rhéologique de la pâte d’argile, différents lots de matière ont été extrudés avec cinq sections de sortie variant de 1000 à 2000 mm2_.

Figure II - 35 : Filière utilisée pour l'extrusion de la pâte d'argile

La dimension standard de la filière utilisée pour les essais de caractérisation est 80 mm x 25 mm. Il est nécessaire de conserver une épaisseur de 25 mm pour pouvoir effectuer les essais de compression libre. On a donc choisi de faire varier la largeur de 40 mm à 80 mm. La filière utilisée est présentée à la figure II-36. Un capteur de pression est positionné dans la filière. Il permet l’acquisition de la pression au cours des phases d’extrusion. Pour chaque section de sortie, des lots de matières à trois humidités différentes (19 %, 20,5 % et 22 %) seront préparés. La figure II-36 donne la pression d’extrusion moyenne pour les 15 lots de matières extrudées. On remarque que la pression d’extrusion dépend de la surface de sortie et de l’humidité de la matière. L’effet dû à l’humidité est cependant majoritaire.

Figure II - 36 : Evolution de la pression d'extrusion en fonction de la section de la filière 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Section de la filière [mm2] P re s s io n d e x tru s io n [ M Pa ] H[%] = 22 % H[%] = 20,5 % H[%] = 19 %

2.3.3.2 Résultats expérimentaux

Figure II - 37 : Influence de la section d’extrusion sur la consistance

La figure II-37 représente les modèles d’évolution de la consistance avec l’humidité pour 5 sections de filière d’extrusion obtenus par analyse d’essais de compression libre effectués sur des échantillons à différentes humidités. Une hausse de la pression d’extrusion se traduit par une légère augmentation de la consistance. Le phénomène observé reste mineur comparé à l’influence de l’humidité et à la dispersion de la matière.

Les essais de compaction et de cisaillement avaient précédemment révélé la faible influence de la pression isostatique sur le comportement rhéologique. L’influence de la surpression subie par la matière lors de son passage dans la filière est donc négligeable. Ces résultats montrent que, lors de l’extrusion, la compaction de la matière est réalisée en amont du convergent et de la filière, probablement lors de la phase de désaération puis de compaction au travers de la vis. Le comportement identifié ne sera donc que peu sensible à la filière d’extrusion et restera valable pour de nombreux produits utilisant le même mélange de fabrication.

3 Conclusion partielle

Pour étudier le comportement rhéologique de la pâte d’argile, quatre essais ont été mis en place μ compression libre, cisaillement, flexion quatre points et compression confinée. Les paramètres des lois de comportement élastique et viscoplastique sont déterminés à partir d’essais de compression libre. Un profil de compression à vitesse croissante permet d’identifier plus précisément le comportement de la pâte d’argile, en particulier pour les paramètres de sensibilité à l’écrouissage et à la vitesse de déformation.

Les essais de caractérisation ont permis de mettre en évidence un comportement élasto-visco-plastique de la pâte d’argile extrudée. Cela confirme les observations réalisées par Gayou (2008) lors de ses

déformation. Il est peu sensible à l’écrouissage. Des essais de compression libre ont été effectués sur des cubes extraits dans trois directions pour vérifier l’anisotropie de la pâte d’argile. Un comportement légèrement anisotrope a été constaté, mais l’hypothèse d’un comportement isotrope sera conservée. Le matériau suit le critère de plasticité de von Mises μ la contrainte isostatique n’influence pas le seuil d’écoulement dans le domaine de compression ν le comportement rhéologique est symétrique en traction et en compression. Un modèle de Coulomb permet de modéliser le comportement de la pâte d’argile lorsque le cisaillement est total. Ce modèle traduit le frottement interne et permet l’identification de la cohésion.

L’influence de l’humidité sur le comportement a été quantifiée. Le module d’élasticité apparent et la consistance décroissent exponentiellement avec l’humidité. La caractérisation d’échantillons, provenant de galettes extrudées à différentes sections, a révélé une faible influence de la surpression dans la filière engendrée par une restriction de la section de sortie. Ce résultat est important car il montre que l’extrusion de la matière est telle que le comportement rhéologique de la galette, qui sera pressée pour former une tuile, est intrinsèque à la composition de la matière et ne dépend pas des caractéristiques géométriques de la filière d’extrusion.