influence des argiles sur les propriétés rhéologiques de mélanges granulaires séminaire École...

Influence des argiles sur les propriétés rhéologiques de mélanges granulaires

Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie

Christian BLACHIER, Thèse 3ème année

Laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM)

Directeur de thèse: Laurent MICHOT

Présentation séminaire RP2E, 15 janvier 2009


Plan de la présentation

Problématique argileuses

• Les argiles

• Impact environnemental et industriel

Mesures rhéologiques des systèmes granulaires

• Principales difficultés de mesures: sédimentation

• Protocole expérimental dans un fluide suspendant

• Caractérisation rhéologique d’un mélange granulaire

Caractérisation fine de l’influence des argiles

• Effet de trois argiles: Montmorillonite, illite, kaolinite

• Rôle Interaction eau-argile

• Rôle de l’anisotropie


Argiles:

• Phylosilicates hydratés

Structure en feuillets TOT ou TO

(T: couche silicaté, O: couche alumineuse)

K+

a b c

n couches de H2O et cations échangeables

Distance variable

suivant l’état d’hydratation

0.96nm

Ion potassium

0.72nm

K+

a b c

n couches de H2O et cations échangeables

Distance variable

suivant l’état d’hydratation

0.96nm

Ion potassium

0.72nm

kaolinite montmorillonite illite

• Minéraux de petite taille (<µm) et de forte anisotropie

0.1µm

25nm

0.25µm

25nm 25nm

0.25µm

• Propriétés des argiles

Minéraux lamellaires

Affinité forte avec l’eau

Surface spécifique importante

Capacité d’adsorption importante


Impact environnemental

• Coulée de boue, lave torrentielle, Lahar

• Préventions des risques

Impact industriel

• Rhéologie des bétons à l’état frais lors de l’utilisation de sables pollués en argile

0

50

100

150

200

250

300

350

400

5 20 60Temps (min)

Eta

lem

ent

(mm

)Mortier Référence

1% massique Montmorillonite/sable

2% massique Montmorillonite/sable

Test d’étalement (« slump »)

Détérioration de l’ouvrabilité du béton

étalement nul



Principales difficultés de mesures: sédimentation

• Pas de mesure fine de la rhéologie des systèmes granulaires

• Le plus souvent: test d’étalement type « slump test »

Utilisation d’un fluide suspendant

• Emkarox HV45 (25%w/w) : fluide newtonien de forte viscosité (0.087Pa.s)

• Mesure rhéologique en Vane

• Caractérisation rhéologique de sable <mm

• contrainte seuil σy : contrainte minimale permettant un écoulement

• viscosité infinie η∞ : viscosité aux grands cisaillements

Paramètres rhéologiques recherchés



Caractérisation rhéologiques des systèmes granulaires

• Modélisation: avec et y = - c

(Baravian, 2003)

• Evolution de la contrainte seuil et de la viscosité infinie en fonction de la fraction volumique

Courbes de référence sans argiles

• Domaine de transition granulaire cohérents avec données bibliographiques (Pierson et Scott, 1985; Ancey, 2001)

Quemada, 1977

21

Pe

Pe

fr

c

Pe


Influence des argiles sur la rhéologie des sables

Caractérisation rhéologiques des systèmes sable + montmorillonite

• Augmentation de la quantité d’eau nécessaire à l’obtention d’une pâte et limitation des effets de sédimentation pour les rapports eau/solide importants

1% montmorillonite 2% montmorillonite 3% montmorillonite 5% montmorillonite

Influence montmorillonite: comparaison aux Courbes de références

• Montmorillonite impacte fortement la contrainte seuil des systèmes granulaires

• Peu d’effet sur la viscosité infinie



Caractérisation rhéologique des systèmes sable + illite et sable + kaolinite

illite

kaolinite

• illite impacte la contrainte seuil mais pas la viscosité infinie

• très peu d’effet de la kaolinite

Rôle des interactions eau argile?



Effet d’une argile hydrophobe

Montmorillonite hydrophobe: Traitement Hofmann-Klemen

• perte de la charge de surface par pénétration d’ions Li+ dans la structure (400°C) Hoffmann et Klemen, 1950

• Perte de la nocivité de la montmorillonite

• Interactions eau –argile jouent un rôle prépondérant dans la problématique argileuse.



Interactions eau- argile: Rhéologie des suspensions d’argile dans le Emkarox 25%

montmorillonite

illite

kaolinite

Suspensions argiles dans le Emkarox

Impact des argiles dans les systèmes granulaires

L’influence des argiles sur la rhéologie des systèmes granulaires est due aux interactions eau-argiles

Montmorillonite >illite >kaolinite

Montmorillonite >illite >kaolinite



Interactions eau- argile: rôle de l’anisotropie et modèle de sphères dures Baravian, 2003, Michot, 2008

• Mouvement brownien: particules d’argile tournent sur elle même

e

reqeff

3

4• Notion de volume effectif prenant en compte l’anisotropie des particules

a

e

2% argile 3% argile 5% argile

Caractérisation rhéologiques des systèmes sable + montmorillonite d’anisotropie croissante

Anisotropie Montmorillonites: Wyoming > Arizona > Sardaigne

Impact de l’argile est lié à son anisotropie


Conclusions

• Les argiles impactent fortement la rhéologie des systèmes granulaires

• La limitation de la sédimentation permet l’obtention de mesures rhéologiques propres et reproductibles

• Les interactions eau – argiles sont aux cœur des problématiques argileuses dans ces milieux: piégeage de l’eau

• La capture d’eau par les argiles est liée à la libre rotation des particules: volume exclu

Perspectives

• Modélisation du volume exclu dans les l’approche rhéologique des systèmes sable - argile

• Rôle de la floculation

• Contrôle du packing des argiles peut permettre un meilleur contrôle de leur nocivité

influence des argiles sur les propriétés rhéologiques de mélanges granulaires séminaire École...

Documents