Dans le but d apporter quelques éléments à l étude de la relation entre structure porale et propriétés des structures, le recours à des structures porales plus simples et maîtrisées est envisagé. À cette fin, des mousses modèles MM sont fabriquées à l aide d un plâtre commercial dans lequel sont insérées des billes de polystyrène de dimensions connues. Ces « mousses » présentent des granulométries d occlusions maîtrisées et une structure finale plus simple que celle des mousses fabriquées avec la méthode dissociée.
Ces mousses particulières sont utilisées afin d étudier le lien entre structure et les performances mécaniques module d Young identifié par méthode acoustique et lors d essais mécaniques, résistance à la compression). Ces mousses seront également utilisées dans la partie D afin de valider une méthode de passage entre granulométries surfacique et volumique. L ensemble de la méthode sera détaillé dans la partie D.
C.7.1 Formulation des mousses modèles
Les mousses modèles sont fabriquées grâce à l assemblage de trois constituants : le plâtre, l eau et les billes de polystyrène (Tableau C. 17). Le plâtre et les billes sont tout d abord mélangés à vitesse lente dans le malaxeur pendant une minute puis l eau est ajoutée. L ensemble est ensuite malaxé à vitesse lente (30 secondes) puis à vitesse rapide (1 minute 30). La pâte est ensuite rapidement coulée dans les moules cylindriques (H = 200 mm, D = 80 mm). Les mousses modèles sont sciées afin de produire un échantillon ayant les mêmes dimensions que les autres mousses produites (H = 80 mm, D = 80 mm). Le taux de gâchage (E/L = 0,46) a été fixé lors d essais préliminaires afin de garantir une consistance suffisante sans trop d occlusions d air. La pâte doit être suffisamment ferme pour empêcher les billes de polystyrène de remonter à la surface par poussée d Archimède et suffisamment fluide pour pouvoir être introduite de façon uniforme dans les moules. Afin d assurer un bon remplissage des moules, ils sont frappés fois à la main contre la paillasse à la moitié du remplissage puis à la fin du remplissage afin d assurer une bonne homogénéité.
Tableau C. 16. Composition des mousses modèles
Constituants Plâtre à mouler Eau Billes de
polystyrène
Masse [g] 500 228 5, 10 ou 15 g
Deux types d échantillons modèles sont produits :
Monodisperse : L échantillon ne contient qu une seule classe granulaire de billes Bidisperse : L échantillon contient un mélange équi-massique de 2 classes granulaires. L ensemble des compositions des mousses modèles créées est référencé dans le Tableau C. 17. L échantillon MM correspond au plâtre simplement moulé, sans addition de billes.
Tableau C. 17. Quantité de billes de polystyrène des mousses modèles.
Éprouvette MM00 MM32 MM25 MM26 MM29 MM27 MM30 Billes 0 5g 34 5g 35 5g 36 10g 35 10g 36 10g 37 ρ [kg/m3] 1365 1092 1002 1064 945 900 853 Éprouvette MM34 MM31 MM40 MM35 MM38 MM24 MM28 Billes 15g 34 5g 37-35 10g 37-35 10g 34-36 15g 34-36 15g 35 15g 36 ρ [kg/m3] 778 1072 895 895 761 749 768
127
C.7.2 Propriétés de la suspension concentrée
L essai au pot à densité permet d obtenir la masse volumique de pâte fraîche du plâtre à mouler ρpâte = 1711 ± 30 kg/m3. La suspension minérale est légèrement plus légère que celle de l échantillon de Kerysten® sans tensioactif KMS00 (ρpâte,KMS00 = 1792 ± 30 kg/m³). Un essai d étalement est réalisé sur la pâte de plâtre à mouler. Cette pâte est volontairement très ferme afin d y piéger les billes de polystyrène. L essai d étalement présenté dans la partie C.2.2.6 n est pas pertinent ici, car l étalement est nul (Figure C. 35). Les limites du modèle sont atteintes. La mesure du seuil à l aide d une géométrie vane aurait ici été plus pertinente. Néanmoins, la valeur exacte du seuil importe peu. Il est raisonnable de penser que le seuil de mise en écoulement est très supérieur à 200 Pa. Le plâtre utilisé a un temps de prise court. Aucun retardateur de prise n a été ajouté. La pâte est « gelée » en environ 4 minutes et prise à 5 minutes.
Figure C. 35. Essai d’étalement du plâtre à mouler.
C.7.3 Propriétés de la matrice durcie
C.7.3.1 Masse volumique
La masse volumique du gypse sec sans bille (noté MM00) est obtenu après stabilisation par pesée et mesure des dimensions, ρplâtre = 1359 ± 30 kg/m³. Aucun superplastifiant n a été ajouté,
contrairement à KMS00 (ρKMS00 = 1564 ± 30 kg/m³). Les masses volumiques de pâte étant assez
proches, la différence de taux de gâchage explique l importante chute de masse volumique de MM00.
C.7.3.2 Caractérisations mécanique et acoustique
L échantillon cylindrique de plâtre sans bille (MM00) est conservé dans le laboratoire. La
mesure quotidienne de la masse volumique et des vitesses de propagation de l onde acoustique
dans le matériau permettent d évaluer les conditions d hydratation et de séchage du matériau de 2 façons différentes. La Figure C. 36 montre une forte diminution de la masse volumique passant de 1711 à 1359 kg/m³ en 12 jours. Le rapport de ces masses volumiques est
C = 1359/1771 = 0,794. La chute de masse volumique correspond à l évaporation progressive de
l eau non utilisée pour la formation de cristaux de sulfate de calcium. En parallèle, les vitesses longitudinales et transversales des ondes augmentent et sont à peu près également stabilisées en jours. L augmentation des vitesses traduit une augmentation des propriétés mécaniques de l échantillon. L acquisition d une rigidité est donc bien liée au séchage de la matrice de gypse.
128 Figure C. 36. Echantillon MMOO sans bille : Evolution de la masse volumique et de la vitesse
longitudinale et transversale en fonction du temps.
L essai de compression de l échantillon MM indique une résistance à la compression
Rc = 17,3 MPa et un module d Young E = 5093 MPa. Le comportement mécanique est similaire au
comportement de la mousse de Kerysten® présentée sur la Figure C. 17 (gauche). La rupture est fragile et il n y a pas de résistance résiduelle post-pic.
C.7.4 Performances des mousses modèles
C.7.4.1 Masse volumique
)l est possible d estimer la masse volumique théorique des mousses modèles en considérant que la perte de masse au séchage de ces mousses provient uniquement de la perte de masse dans la matrice de gypse. Le polystyrène est considéré imperméable. À partir de la mesure de la perte de masse (en pourcentage C de l échantillon MM00 (sans bille) en fonction du temps et en connaissant la fraction massique et volumique des composants de l échantillon considéré (mousse modèle avec billes de polystyrène), la masse volumique théorique des mousses modèles durcies est estimée par la formule suivante [149]:
ℎé � = â × � ( � + â × �)
â × � + � × â (C. 20)
Figure C. 37. Ecarts entre masses volumiques théoriques et expérimentales pour les mousses modèles. 1300 1500 1700 1200 1600 2000 2400 2800 3200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 VL VT ρ MM00 ρ [kg/ ³] V [m/s] V [m/s] Temps [jour] 0 200 400 600 800 1000 1200 MM32 5g 34 MM25 5g 35 MM26 5g 36 MM31 5g 37-35 MM39 5g 34-36 MM33 10g 34 MM29 10g 35 MM27 10g 36 MM30 10g 37 MM40 10g 37-35 MM35 10g 34-36 MM34 15g 34 MM24 15g 35 MM28 15g 36 MM38 15g 34-36 ρ théorique [kg/m³] ρ [kg/m³]
129 Des écarts non négligeables existent entre les masses volumiques théoriques et expérimentales
(Figure C. 37 . Afin d expliquer ce phénomène, l écart moyen entre ces deux masses volumiques
est calculé, par classe granulaire, sur les échantillons monodisperses (Figure C. 38).
Figure C. 38. Ecarts moyens entre masses volumiques théoriques et expérimentales pour les mousses modèles monodisperses.
Les mousses modèles fabriquées avec des grosses billes (36 et 37) présentent une masse volumique supérieure à la valeur théorique attendue. L’explication provient du processus de moulage particulier. La fluidité du mélange (pâte + billes) n’est pas suffisante pour une mise en place par gravité dans le moule. Le moule subit 6 chocs manuels contre la paillasse afin d’assurer une bonne répartition du mélange. Les grosses billes possèdent à la fois un grand volume et une faible masse volumique. Ces deux caractéristiques augmentent le phénomène de remontée des billes par poussée d'Archimède. La partie supérieure de l’échantillon initial étant éliminée par sciage. La masse volumique moyenne de l’échantillon est donc supérieure à la valeur théorique.
C.7.4.2 Performances mécaniques et acoustiques
La comparaison entre les modules mécanique et acoustique est présentée sur la Figure C. 39 :
Figure C. 39. Evolution des modules d’Young mécanique et acoustique.
Les résultats obtenus sur les mousses modèles avec les deux méthodes acoustiques testées conduisent aux constats suivants. Les modules d Young acoustiques évoluent de façon cohérente en fonction de la masse volumique (Figure C. 39). Le module élastique identifié par essai mécanique apparaît beaucoup plus dispersé.
Il est impossible de distinguer à partir de ces résultats un quelconque effet de structure, l influence de la masse volumique étant visiblement prédominante par rapport à un effet de taille des occlusions. Les méthodes acoustiques ne semblent donc pas adaptées à une caractérisation discriminante des systèmes poreux modèles, à l image de ce qui était constaté en présence des mousses minérales.
-100 -50 0 50 100 150 34 35 36 37 ρ – ρthéorique [kg/m3] 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Modèle E Modèle Pundit Modèle Erudite Masse volumique ρ [kg/m³] Module d'Young E [MPa]
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