Test d’adhésion et de cohésion

Dans le cadre de ces activités de recherche, l’opportunité d’utiliser un dispositif de caractérisation de l’adhésion et la cohésion appartenant à l’université de Zhejiang (Chine) s’est présentée. Ce dispositif (cf. Paragraphe 3.6.1) permet de caractériser la propriété adhésive d’un matériau collant sur une surface spécifique et la propriété cohésive de ce matériau sous une sollicitation tangentielle. Après avoir évalué le fonctionnement de ce dispositif et ses limitations, nous avons ensuite conçu le dispositif « AD&CO » (qui sera présenté au paragraphe 3.6.2), une version avancée de l’unité d’adhésion et cohésion disponible à l’université de Zhejiang.

3.6.1 Unité d’adhésion et cohésion disponible à l’université de Zhejiang

Le principe général de ce dispositif a été présenté dans l’état de l’art et ses principales limitations discutées au paragraphe 2.9. L’objectif de ce travail n’étant pas de caractériser le comportement du matériau au cours du séchage, nous nous sommes focalisés sur la géométrie de la cellule de cisaillement et nous n’avons pas cherché à évaluer l’influence du gradient de température (et donc de teneur en eau) sur la mesure. Deux géométries de même section transversale ont donc été construites, Figure 3-14 : une géométrie de forme cubique inspirée de la boîte de Casagrande, traditionnellement utilisée en mécanique des sols [12], et une géométrie de forme cylindrique inspirée de la cellule de Jenike et déjà utilisée par B. Peeters et al. [13] et B. Li et al. [14]. Chaque dispositif comprend :

- une géométrie fixe creuse d’1 cm de hauteur, une géométrie mobile creuse et un couvercle de mêmes forme et dimensions. Pour la mesure de la cohésion, les géométries fixe et mobile sont superposées et remplies au total d’une couche de 2 cm de boues. Pour la mesure de l’adhésion, seule la géométrie mobile est remplie d’une couche de 1 cm de boues et est déposée sur le support plan.

- un fil, une poulie pour réduire le frottement et un récipient pour collecter les billes d’acier. Chaque bille pèse environ 1 g et le récipient est rempli manuellement avec un débit quasi constant de 1 g/s. Lorsque la maquette se déplace de 1 cm par rapport au support fixe, la masse totale du récipient et des poids ajoutés est relevée. On déduit alors la force nécessaire pour vaincre l’adhésion ou la cohésion des boues.

La contrainte de cisaillement est calculée avec l’Équation 3-1.

Équation 3-1 :

!

₌

!_!"#$%

avec m!"#$%& la masse totale nécessaire pour déplacer d’au moins 1 cm la cellule de

mesure remplie de boues, m!"#$ la masse nécessaire pour déplacer la cellule de mesure

vide, S!"#$% la surface de la section transversale de la cellule et g l’accélération de la

pesanteur.

Chaque test est répété au moins 3 fois avec le même échantillon. Avant chaque test, les boues sont prémalaxées à la main pour les homogénéiser et faciliter leur introduction dans la cellule.

(a) (b)

Figure 3-14 : Unité d’adhésion et cohésion : (a) géométrie cubique de l’unité, (b)

géométrie cylindrique de l’unité (1. plan de travail, 2. géométrie fixe creuse, 3. géométrie mobile creuse ou cellule de mesure, 4. couvercle, 5. fil de traction)

Ces essais nous ont permis de statuer sur l’influence de la géométrie de la cellule de cisaillement sur la valeur de la contrainte de cisaillement. Le principe de mesure de la contrainte, par application d’une succession d’échelons de poids, et la mesure approximative de la distance de déplacement nous ont conduit à développer à Albi un nouveau dispositif, dénommé « AD&CO » dans la suite du document. 3.6.2 Description du dispositif « AD&CO » Comme lors des essais à l’Université de Zhejiang, nous avons conservé deux géométries de même section transversale : une géométrie de forme cubique inspirée de la boîte de Casagrande et une géométrie de forme cylindrique inspirée de la cellule de Jenike. Les deux cellules, Figure 3-15, ont été réalisées en plexiglas. Figure 3-15 : Cellules cylindrique et carrée d’essai avec leurs couvercles

Pour la mesure de la cohésion (Figure 3-16), deux géométries, l’une fixe collée sur un support plan et l’autre mobile par rapport à la première, sont superposées et remplies au total d’une couche de 2 cm de boues. Pour la mesure de l’adhésion, seule la géométrie mobile est remplie d’une couche de 1 cm de boues et déposée sur le support plan, qui est également en Plexiglas dans la présente étude (Figure 3-16). L’ensemble « cellule de cisaillement et support plan » est posé en appui sur un banc de traction (OT-TRIPOD Instrument). Sur le chariot mobile du banc de traction est placé un capteur de force (Digital Force Gauge). Ce capteur de force (de capacité 5, 10 ou 50 N) 1 3 5 2 3 1 4 4

est relié à la cellule de cisaillement par un cable métallique. La position de la zone cisaillée dépendant du test effectué (au contact du support plan pour le test d’adhésion et au milieu de la couche de boue pour le test de cohésion), la position de l’ensemble « support plan et cellule de cisaillement » dans le plan vertical est ajustable. Par ailleurs, la course (de 0 à 18 cm) et la vitesse de déplacement (de 5 à 600 mm/min) du chariot mobile dans la direction longitudinale sont réglables. Un capteur de déplacement avec son alimentation électrique (Sensel Measurement) est également relié à la cellule de cisaillement (sur la face opposée au point d’ancrage du capteur de force). La vue d’ensemble du dispositif est proposée sur la Figure 3-17.

Figure 3-16 : Cellules de cisaillement pour les essais en cohésion et en adhésion (à

gauche et au centre : plans pour le test de cohésion à anneau carré et à anneau rond ; à droite : plan pour le test d’adhésion)

Figure 3-17 : Vue d’ensemble du dispositif AD&CO

Le déplacement du chariot mobile à vitesse imposée permet d’exercer une force de traction dans le plan de cisaillement. Si la géométrie supérieure mobile se déplace, la distance parcourue est mesurée par le capteur de déplacement. Un logiciel, développé sous Labview, permet d’enregistrer les données (force appliquée et position) et de représenter, en temps réel, les évolutions temporelles de la force ou de la position ou encore la force appliquée en fonction de la position ou de la vitesse de déplacement instantanée.