Soutenance de thèse de Bruno ETCHEVERRY

Les suspensions sont constituées de particules immergées dans un fluide suspendant. Ces systèmes abondent autour de nous : béton, boue, sang ... La compréhension de leur rhéologie intéresse autant les industriels, par exemple dans le génie civil pour l'optimisation des propriétés d'écoulement du béton frais, que les géophysiciens pour l'étude et la modélisation des coulées de laves torrentielles, mais aussi la médecine car les propriétés d'écoulement du sang peuvent renseigner sur certaines pathologies. Selon la nature des particules et du fluide suspendant, la dynamique des particules peut être régie par des forces très différentes : traînée visqueuse, forces électrostatiques, forces de Van der Walls, agitation thermique etc... Cette diversité de forces peut engendrer des comportements rhéologiques macroscopiques très variés. Dans cette thèse, nous étudierons en particulier les suspension de particules colloïdales et non-Browniennes. Cela signifie que les particules sont suffisamment petites pour que leur rhéologie puisse être affectée par des forces colloïdales, mais suffisamment grandes pour être insensibles à l'agitation thermique. Une caractéristique fascinante de ces suspensions est qu'elles peuvent être rhéo-épaississantes. Cette propriété traduit le fait que la viscosité de la suspension peut soudainement augmenter, parfois de plusieurs ordres de grandeur, lorsque la contrainte appliquée à la suspension dépasse un valeur critique. Un exemple emblématique de suspension rhéo-épaississante est le mélange de grains d'amidon et d'eau, qui au repos est liquide, mais peut se solidifier totalement s'il est soumis à un impact. Cette propriété, dont l'expérience défie l'entendement, est une source intarissable d'émerveillement et d'amusement. Au delà de cet aspect ludique et spectaculaire, les suspensions rhéo-épaississantes sont aussi très présentes dans l'industrie, par exemple celle du chocolat, mais aussi du béton dit 'moderne' . Le comportement rhéo-épaississant de la suspension est alors soit problématique, car à l'origine d'instabilité, du bourrage des pompes, de la casse de mélangeur, ou peut être tourné à son avantage, par exemple, pour obtenir des bétons auto-plaçants, des dos d'âne intelligents ou des protections sportives. L'origine du rhéo-épaississement n'a été comprise que très récemment en 2013, d'abord grâce à des simulations numériques, puis modélisé en 2014 dans le modèle de transition frictionnelle. Ces travaux montrent que le comportement rhéo-épaississement de ces suspension naît de la présence de forces répulsives entre les particules. Tant que la contrainte appliquée à la suspension est faible, cette force répulsive maintient les grains à distance dans le fluide et évite qu'ils n'entrent en contact frictionnel : la suspension est alors très liquide. En revanche à forte contrainte, l'activation des contacts frictionnels induit une forte augmentation, voir une divergence de la viscosité de la suspension. Soutenu par un certain nombre de travaux expérimentaux récents, cette description du rhéo-épaississement, telle une transition frictionnelle, a largement contribué à mettre en lumière le rôle majeur de la friction et des contacts entre particules sur le comportement rhéologique macroscopique des suspensions. Cependant, il n'existe aucun outil rhéologique permettant de caractériser le comportement frictionnel de ces suspensions. Dans cette thèse, nous avons développé un nouveau rhéomètre qui permet, via le contrôle de la pression granulaire, d'avoir accès aux lois constitutives des suspensions rhéo-épaississantes. L'idée clé de ce dispositif est d'imposer la pression granulaire non pas en utilisant une grille rigide, comme fait dans Boyer et. al (2011), mais d'utiliser l'interface capillaire air-suspension. Basé sur un nouveau concept en rhéométrie, le Capillaryton ouvre la voie vers la rhéologie à pression imposée des suspension rhéo-épaississantes et plus généralement des suspensions colloïdales.

Suspensions are made of particles immersed in a suspending fluid. These systems abound around us: concrete, mud, blood ... The understanding of their rheology is of interest to industrials, for example in civil engineering for the optimization of the flow properties of fresh concrete, to geophysicists for the study and modeling of debris flows, but also to medicine because the flow properties of blood can provide information on certain pathologies. Depending on the nature of the particles and of the suspending fluid, the dynamics of the particles can be governed by very different forces: viscous drag, electrostatic forces, Van der Walls forces, thermal agitation etc... This diversity of forces can lead to very different macroscopic rheological behaviors. In this thesis, we will study in particular the suspension of colloidal and non-Brownian particles. This means that the particles are small enough that their rheology can be affected by colloidal forces, but large enough to be insensitive to thermal agitation. A fascinating feature of these suspensions is that they can be shear-thickening. This property reflects the fact that the viscosity of the suspension can suddenly increase, sometimes by several orders of magnitude, when the stress applied to the suspension exceeds a critical value. An emblematic example of a shear-thickening suspension is the mixture of starch grains and water, which at rest is liquid, but can solidify completely if subjected to an impact. This property, whose experience defies understanding, is an inexhaustible source of wonder and amusement. Beyond this playful and spectacular aspect, the shear-thickening suspensions are also very present in the industry, for example that of the chocolate, but also of the concrete called 'modern'. The shear-thickening behavior of the suspension is then either problematic, because it causes instability, pump jamming, mixer breakage, or can be turned to its advantage, for example, to obtain self-placing concretes, intelligent speed bumps or sport protections. The origin of shear-thickening was only recently understood in 2013, first through numerical simulations and then modeled in 2014 in the frictional transition model. This work shows that the shear-thickening behavior of these suspensions arises from the presence of repulsive forces between the particles. As long as the stress applied to the suspension is low, this repulsive force keeps the grains at a distance in the fluid and prevents them from coming into frictional contact: the suspension is then very liquid. On the other hand, at high stress, the activation of frictional contacts induces a strong increase, even a divergence of the suspension viscosity. Supported by a number of recent experimental works, this description of shear-thickening, as a frictional transition, has largely contributed to highlight the major role of friction and contacts between particles on the macroscopic rheological behavior of suspensions. However, no rheological tool exists to characterize the frictional behavior of these suspensions. In this thesis, we have developed a new rheometer which allows, via the control of the granular pressure, to have access to the constitutive laws of shear-thickening suspensions. The key idea of this device is to impose the granular pressure not using a rigid grid, as done in Boyer et. al (2011), but to use the capillary air-suspension interface. Based on a new concept in rheometry, the Capillaryton opens the way to the imposed pressure rheology of shear-thickening suspensions and more generally of colloidal suspensions.