Couplage rhéologie-microstructure de suspensions de particules

De nombreux matériaux industriels ou naturels sont composés de particules en suspension dans un fluide : coulée de boue, béton frais, ... Une suspension concentrée de particules présente des propriétés rhéologiques complexes, telles que seuil d’écoulement, rhéofluidification, différence de contraintes normales, …, même lorsque la rhéologie du fluide suspendant est simplement newtonienne et que les interactions entre particules sont purement hydrodynamiques et de contact. Certaines de ces propriétés macroscopiques sont expliquées par le comportement de la suspension à l’échelle locale, en particulier par sa microstructure, ie l’arrangement spatial relatif des particules. Qu’en est-il lorsque la rhéologie du fluide suspendant est complexe ? Que peut-on apprendre de la microstructure d’une suspension de particules dans un fluide à seuil sur ses propriétés mécaniques ? Je présenterai nos résultats expérimentaux sur des sphères dures non Browniennes en suspension dans un fluide à seuil, au comportement élasto-visco-plastique. Nous étudions le couplage entre comportement macroscopique et microstructure en associant rhéométrie classique dans un dispositif de cisaillement et imagerie 3D par microtomographie X. L’étude de la fonction de distribution de paires à 3D en cisaillement simple stationnaire montre une anisotropie de la microstructure de la suspension dans le plan vitesse-cisaillement, pour des écoulements rotationnel et d’écrasement. Le régime instationnaire est également étudié suite à diverses préparations, i.e. diverses histoires de cisaillement. Les propriétés élasto-plastiques (contrainte seuil de plasticité, module élastique de cisaillement) du matériau montrent alors de remarquables propriétés d’écrouissage (augmentation de la contrainte seuil de plasticité) et de variations du module élastique de cisaillement, qui peuvent être reliées à sa microstructure. Il est ainsi possible de contrôler les propriétés élasto-plastiques initiales d’une suspension de particules dans un fluide à seuil via l’histoire des sollicitations. L’étude de la relation entre microstructure et rhéologie est une voie prometteuse pour mieux comprendre les fluides complexes en général.