1.6
Objectif de thèse
Le séchage d’un liquide pur saturant un milieu poreux fait intervenir des écoulements vers la surface libre déterminants dans la cinétique de séchage. Au delà des fluides purs, la composition du fluide et la constitution locale des pores évoluent lorsque le solvant s’évapore. Ces études suggèrent que la composition du fluide et la cinétique de séchage des milieux poreux sont couplées.
Les bétons et mortiers frais peuvent être considéré comme des empilements de grosses particules de gravier et de sable qui forment un réseau poreux saturé d’une phase liquide composée des grains de ciment, des cendres volantes, des particules de silice, d’additifs chimiques dans l’eau. Les particules de la phase liquide sont petites ou bloquées par leurs interactions, ce qui empêche leur sédimentation. Un raisonnement similaire permet de considérer un sol idéal comme constitué de grosses particules (gravier et sable) dissociables de particules plus petites (argiles, polluants, matière organique) mélangées à l’eau. Ces matériaux peuvent ainsi être décrit en deux phases : un squelette solide et un fluide interstitiel.
L’intérêt pour les matériaux réels motive ces recherches, néanmoins ils ne seront pas directement utilisés dans nos expériences. En effet, il est difficile d’avoir des paramètres physiques clairs pour comprendre les phénomènes. Les pores ont rarement une taille carac- téristique bien définie ou une distribution mono-modale. La porosité totale et la quantité d’eau liquide évolue avec l’avancement des réactions chimiques. La composition du réseau poreux n’est pas homogène, rendant l’état de surface et la mouillabilité à l’eau variable.
Pour nous affranchir de cette complexité inhérente aux matériaux réels, nous utilisons des matériaux plus simples ou "modèles" en conservant la séparation du solide entre la structure et les éléments en suspension dans l’eau.
Dans ce chapitre, nous avons vu que le séchage d’un liquide pur saturant un milieu poreux pouvait être bien expliqué à partir des propriétés du fluide. Principalement, la cinétique de séchage s’explique par le maintient d’un écoulement suffisant pour approvi- sionner la surface en eau liquide. Lorsque cela n’est plus possible, un front sec progresse et le taux de séchage diminue. Cependant il apparaît également que lorsque des ions sont dissous dans l’eau, la cinétique de séchage se complique et est couplée à l’augmentation hétérogène de la concentration, en particuliers du fait de la formation de dépôt à la surface libre. Dans cette thèse, nous cherchons à établir l’influence des particules sur la cinétique de séchage des milieux poreux.
Il n’existe à notre connaissance pas d’étude prenant en compte l’impact du déplace- ment des particules et des structures éventuellement créées sur le taux de séchage dans un milieu poreux 3D.
Nous utilisons des milieux poreux modèles, qui ne sont issus ni des applications indus- trielles ni directement présents dans la nature, cependant ils permettent de comprendre les phénomènes physiques de manière générale. Nous observons ainsi les phénomènes de séchage sans interférence avec des réactions chimiques ou des interactions de différentes
Chapitre 1 : État des connaissances
origines entre les particules de tailles et de formes variées.
Dans ces travaux, la séparation d’échelle est très nette entre les tailles caractéristiques de la matrice poreuse et des particules du liquide interstitiel. Nos matériaux auront ainsi trois tailles caractéristiques séparées par des ordres de grandeur : la taille de l’échantillon (∼ 1cm), celle des pores du réseau poreux (∼ 100µm) et celle des particules en suspension dans le solvant (< 1 µm).
Nous avons vu que les particules séchant dans des tubes sont transportées vers la surface libre où elles se compactent. Nous utiliserons ces observations pour comprendre le séchage de suspensions de particules dans les milieux poreux. En outre, la compaction ayant un rôle important dans le séchage des suspensions, nous étudierons également le séchage de suspensions de particules déformables qui peuvent se compresser et donc réduire la région de compaction par rapport à des particules rigides.
Le réseau poreux est un empilement granulaire de billes de verre ∼ 200 µm et très perméable. Cependant ces matériaux présentent encore des difficultés d’observation. En effet, les indices de réfraction de la lumières entre les phases solide, liquide et gazeuse sont différents, l’échantillon est donc opaque. Cela nous conduit à utiliser des moyens d’imagerie performants (Imagerie par Résonance Magnétique et rayon X).
Pour une observation plus directe, dynamique et une visualisation des interfaces, nous avons choisi de simplifier d’avantage les systèmes étudiés. Nous utilisons des tubes comme milieux modèles. La connectivité 3D du réseau poreux est très différente d’un milieu 2D, mais ces systèmes sont intéressants par leur simplicité, leur facilité d’observation et la possibilité de modéliser numériquement la géométrie.
La démarche expérimentale consiste à obtenir les distributions en eau et en particules dans l’échantillon (le réseau poreux étant immobile) car en plus de la perte de masse macroscopique il est essentiel d’avoir des informations locales pour comprendre les méca- nismes à l’œuvre.
Dans le chapitre 2, nous détaillerons les milieux poreux utilisés des matériaux simplifiés 3D aux tubes capillaires ainsi que les différentes suspensions (particules rigides ou molles). Nous présenterons également les procédures expérimentales développées pour tenter d’ob- tenir la localisation de l’eau et des particules dans les échantillons. Nous détaillerons particulièrement les séquences IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) développées.
Dans le chapitre 3, nous présenterons le séchage des suspensions de particules dans des milieux poreux 3D simplifiés (empilements granulaires). La compaction des particules près de la surface libre est couplée avec le séchage. Nous montrerons également comment les caractéristiques d’agrégation des particules influencent la cinétique de séchage.
Dans le chapitre 4, nous nous intéresserons au séchage dans des tubes que nous pouvons imager précisément. Dans le cadre du séchage d’un liquide pur nous mettrons tout d’abord en évidence une situation originale de la baisse abrupte du taux de séchage sans entrée d’un front sec puis nous étudierons le transport des particules rigides et l’agrégation des particules molles.
Chapitre 2
Matériel et Méthodes
Sommaire
2.1 Matériaux utilisés . . . 38
2.1.1 Suspensions de particules non déformables . . . 38
2.1.1.1 Particules rigides . . . 38
2.1.1.2 Caractérisation des suspensions . . . 38
2.1.2 Suspensions de particules molles . . . 43
2.1.2.1 Particules molles . . . 43
2.1.2.2 Caractérisation des suspensions . . . 47