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Influence des argiles sur les propriétés rhéologiques de mélanges granulaires. Christian BLACHIER , Thèse 3 ème année Laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM) Directeur de thèse: Laurent MICHOT Présentation séminaire RP2E, 15 janvier 2009. - PowerPoint PPT Presentation
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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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
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
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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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
Mesures rhéologiques des systèmes granulaires
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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
Mesures rhéologiques des systèmes granulaires
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
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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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
Influence des argiles sur la rhéologie des sables
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?
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
Influence des argiles sur la rhéologie des sables
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.
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
Influence des argiles sur la rhéologie des sables
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
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Influence des argiles sur la rhéologie des sables
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
Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
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