Études des propriétés mécaniques d'empilements désordonnés de billes de gel

Touria Lachhab (1, 2)

1 LMSGC - Laboratoire des matériaux et structures du génie civil
2 CERAM - Centre d'Enseignement et de Recherche en Analyse des Matériaux

The presentation of a new experimental apparatus to measure directly the osmotic pressure in gels is done. Experiences performed on cylindrical poly(acrylic acid) gels show that the osmotic pressure varies linearly with the concentration of counter-ions below the condensation threshold. The behaviour of disordered loose packings of spheres of gel swollen at constant salinity and submitted to an oedometric compression is non-linear. The force-deformation characteristic presents three regimes which can be described by a power law: the consolidation regime is governed by an exponent close to the Hertz exponent: m1 = 1.6. In the consolidated regime, the number of contacts increases with the deformation; the exponent m2 which describes the behaviour is then greater than m1 : m2 = 2.5. Finally, for large deformations, a strongly non-linear behaviour appears where all the contacts between particles are established and where the behaviour is dominated by die contribution of the particles which are greatly deformed : m3 = 3.5. The hysteresis present in the system is mainly due to the viscous dissipation in the particles without expulsion of the solvent. Considering the isotropic compression induced in the packing of spheres by varying the salinity of the solution, the behaviour of the packing is again non-linear with the free parameter (salinity). The observed behaviour is the consolidate one and is governed by an exponent greater than that governs the behaviour of the packing in the same regime when it is submitted to an oedometric compression.

Notre principale contribution à l'étude du matériau gel a été la mise au point d'un dispositif original de mesure directe de la pression osmotique dans les gels. Des expériences effectuées sur des gels cylindriques d'acide polyacrylique partiellement ionisés ont montré que la pression osmotique varie linéairement avec la concentration en contre ions en dessous du seuil de condensation. Ce résultat est conforme aux théories existantes. Le comportement, sous compression oedométrique, d'empilements lâches de billes de gel gonflées dans une solution de salinité donnée est non linéaire, et la caractéristique force-déformation peut être décrite par morceaux par une loi de puissance. Celle-ci présente trois régimes : un régime de consolidation décrit par un exposant de l'ordre de 1.6, comparable à l'exposant donné par la loi de Hertz. Dans le régime consolidé, le nombre de contacts augmente avec la déformation. Le comportement est alors gouverné par un exposant de l'ordre de 2.5, plus grand que l'exposant de Hertz. Enfin, apparaît un comportement fortement non linéaire décrit par un exposant de l'ordre de 3.5 : tous les contacts sont établis et le comportement est dominé par la contribution des particules fortement déformées. Lors des cycles de compression, l'hystérésis est principalement due à la dissipation visqueuse dans les billes sans expulsion de solvant. Sous compression isotrope générée au sein de l'empilement, contraint à occuper un volume constant, par variation de la taille des particules obtenue en faisant varier la salinité de la solution, le comportement de l'empilement est encore non linéaire avec le paramètre de contrôle de l'expérience. Le comportement observé s'apparente à un régime consolidé, décrit par un exposant supérieur à celui obtenu dans le même régime en compression oedométrique.

Mots clés: matériau; propriété matériau; propriété mécanique; physicochimie des polymères; polyélectrolyte; gel colloïdal; granulat; gel; bille; particule sphérique; matériau granulaire; sable; empilement; gonflement; pression osmotique; compressibilité; relation contrainte déformation; thermodynamique; modélisation; modèle tridimensionnel; essai; étude expérimentale

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Touria Lachhab. Études des propriétés mécaniques d'empilements désordonnés de billes de gel. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1994. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00529715⟩