La mesure en rhéologie , livre ebook

LA MESURE EN RHÉOLOGIE
Des avancées récentes aux perspectives
Éditeur scientifi que
Groupe Français de Rhéologie (GFR)
Coordonnateurs
Jean-Louis Grossiord et Alain Ponton
La rhéologie est une spécialité située à l’interface de plusieurs disciplines : la physique, la mécanique
des fl uides, la mécanique des solides et la physico-chimie de la matière molle. Elle constitue un
outil analytique très puissant mais la mise en œuvre et l’analyse des tests expérimentaux qu’elle
réalise, soulèvent des problèmes tant théoriques que techniques.
Écrit par les meilleurs spécialistes français de la rhéométrie, ce livre couvre la très large diversité
des comportements rhéologiques connus, ainsi que la grande variété des outils expérimentaux LA MESURE EN RHÉOLOGIEet théoriques élaborés pour caractériser ces comportements. Il offre un panorama des méthodes
utilisées et de la mise en œuvre de la mesure rhéologique, par un éclairage de certaines analyses
classiques, mais surtout par une approche des techniques récentes et novatrices qui sont mises en
perspective. La présentation est concrète et pédagogique en illustrant les différentes analyses par Des avancées récentes aux perspectivesde nombreux exemples empruntés tant au domaine académique qu’industriel.
Cet ouvrage de référence s’adresse aux enseignants, aux étudiants (master, doctorat, élèves
ingénieurs), aux chercheurs, mais aussi, de par sa recherche de simplicité et de pédagogie, à tout
lecteur pratiquant ou susceptible de pratiquer les analyses expérimentales de la rhéologie.
Éditeur scientifi que Jean-Louis Grossiord, Professeur émérite de l’Université Paris XI, a étudié les corrélations entre les propriétés
rhéologiques des systèmes polymères et dispersés et leur microstructure ainsi que les systèmes vésiculaires
Groupe Français de Rhéologie (GFR)optimisés en vue de fournir des formes thérapeutiques à libération contrôlée ou à extraction. Il est l’auteur de
200 publications et coauteur ou coordinateur de 5 ouvrages sur la rhéologie.
Alain Ponton, Directeur de recherche CNRS et chercheur au Laboratoire Matière et Systèmes Complexes, Coordonnateurs
étudie les propriétés statiques et dynamiques de la matière molle, les matériaux aux propriétés modulables par
variation des conditions environnementales (en particulier les matériaux magnétostimulales). Il a mis en place Jean-Louis Grossiord et Alain Pontonet coordonne plusieurs collaborations internationales dans le domaine de la rhéologie.
ISBN : 978-2-7598-0623-2 / 65,00 TTC
www.edpsciences.org
matériaux I physique physique I matériaux
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LA MESURE EN RHÉOLOGIE GROUPE FRANÇAIS DE RHÉOLOGIE (GFR)
Jean-Louis Grossiord et Alain Ponton ´LA MESURE EN RHEOLOGIE
Des avance´es re´centes aux
perspectives
´Editeurscientifique
´GroupeFranc¸aisdeRheologie(GFR)
Coordonnateurs
Jean-LouisGrossiordetAlainPonton
17, avenue du Hoggar
Parc d activite´s de Courtaboeuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceImprime´ en France
ISBN : 978-2-7598-0623-2
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous proce´de´s, re´serve´s pour tous
pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des aline´as 2 et 3 de l’article 41, d’une part,
que les « copies ou reproductions strictement re´serve´es a` l’usage prive´ du copiste et non destine´es a`
une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but
d’exemple et d’illustration, « toute repre´sentation inte´grale, ou partielle, faite sans le consentement
erde l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (aline´a1 de l’article 40). Cette
repre´sentation ou reproduction, par quelque proce´de´ que ce soit, constituerait donc une
contrefac¸on sanctionne´e par les articles 425 et suivants du code pe´nal.
EDP Sciences 2013Table des matie`res
Liste des auteurs ......................................... ix
Pre´face ................... xi
Avant-propos .............................................. xv
Organisation de l’ouvrage ...... xvii
Chapitre 1 : Concepts et outils de base
´en rheologie
1.1. Grandeurs fondamentales associe´es aux diffe´rents e´coulements .. 1
´1.1.1. Ecoulement de cisaillement simple..... ........... ....... 1
1.1.2. Autres types d’e ´coulement et de de ´formation ......... 17
1.2. Appareils de mesures ........... ........... ........... . 17
1.2.1. Viscosim`etres capillaires ........... 18
1.2.2. Viscosim`etres a` chute de bille ....... 20
1.2.3. Rhe´ome `tres rotatifs ..................................... 21
1.2.4. Analyseurs de texture .. 24
1.3. Conclusion .............................................. 28
´ ´References 29
Chapitre 2 : Effets inertiels en rhe´ome´trie
instationnaire
2.1. Introduction ....... ........... ........... ........... . 31
2.2. Temps caracte´ristiques associe´sa` la mesure ..... . 34
2.2.1. Inertie d’appareillage .. 34
2.2.2. Inertie du fluide ...................................... 37´ ´ ´iv LA MESURE EN RHEOLOGIE:DES AVANCEES RECENTES AUX PERSPECTIVES
2.3. Temps caracte´ristiques associe´s au mate´riau ..... ........... . 38
2.3.1. Thixotropie ............................... 39
2.3.2. Viscoe ´lasticite´ ....... 40
2.4. Approche analytique des effets d’inertie d’appareil en rhe´ome´trie
a` contrainte impose´e ........... ........... ........... . 42
2.4.1. Fluage ............ 42
2.4.2. Oscillations ........ 44
2.5. Conclusion ........ ........... ........... ........... . 47
Re´fe´rences ............. 48
Chapitre 3 : Glissement et fracturation dans
les fluides complexes. Interpre´ter les
essais rhe´ome´triques
3.1. Introduction ....... ........... ........... ........... . 49
´3.2. Mise en evidence et illustration du glissement et de la fracturation 51
3.2.1. Manifestation du glissement sur les courbes de rheometrie ..... 51´ ´
3.2.2. Mise en evidence de la fracturation ........................ 54´
3.3. Quelques uns des me´canismes physiques a` l’origine du glissement
et de la fracturation . ........... . 57
3.3.1. Glissement du^ a` une se ´paration de phase, une de ´ple ´tion ou une
migration ................................ 57
3.3.2. Glissement sur des parois interagissant faiblement avec le fluide .. 58
3.3.3. Glissement dans le cas d’interactions fortes entre les parois et le fluide 59
3.3.4. Me´canismes spe ´cifiques a` la fracturation .................... 60
´3.4. Eviter et/ou de´tecter le glissement et la fracturation.......... . 61
´3.4.1. Eviter le glissement ......................... 61
3.4.2. De ´tecter un glissement............ 62
3.4.3. Glissement et localisation de la de ´formation : mise en e´vidence par
marquage et visualisation .................... 64
3.5. Quantifier le glissement et/ou corriger les mesures .......... . 66
3.5.1. La me ´thode de Yoshimura-Prud’homme (1988) ............... 66
3.5.2. La me ´thode de Mooney (1931) ................ 68
3.5.3. La me ´thode des parois rugueuses .... 72
3.5.4. Glissement des fluides a` seuil – technique du cissome `tre ......... 77
3.5.5. Mesures des vitesses de glissement : ve ´locime ´trie laser et autres
alternatives.......................................... 78
´3.6. Prendre en compte la fracture de l’echantillon ... . 80
3.6.1. Mesures en regime dynamique ...... 80´
3.6.2. Regimes d’ecoulement et de visualisation du champ de deformation :´ ´ ´
exemple d’une dispersion thixotrope d’argile .................. 82
3.6.3. Mieux analyser la fracturation : mesures locales et rhe´ome´trie ...... 91`TABLE DES MATIERES v
3.7. Conclusion ........ ........... ........... ........... . 93
Re´fe´rences ............. 93
´Chapitre 4 : Ecoulement en bandes de
cisaillement (« shear banding »)
4.1. Introduction ....... ........... ........... ........... . 97
4.2. Mode`les the´oriques . . 97
4.3. Rhe´ologie non line´aire .......... .105
4.3.1. Rhe ´ologie en e´coulement permanent ........................105
4.3.2. Rhe ´ologie transitoire .............108
´ ´ ´ ´ `4.4. Instabilite de l’ecoulement heterogene ......... .111
4.4.1. Instabilite ´ dans la direction de la vorticite ´ ...................111
4.4.2. Instabilite ´ azimutale de la bande induite .........114
´ ´4.5. Methodes experimentales ........ ........... .116
4.5.1. Caracte ´risation macroscopique du champ des vitesses en
e´coulement he ´te´roge `ne .......................116
4.5.2. Structure de l’ecoulement heterogene.............120´ ´ ´ `
4.6. Conclusion ........ ........... .124
Re´fe´rences ................................... 124
´ ´Chapitre 5 : Caracterisation rheologique
`des fluides a seuil
5.1. Introduction ....... ........... ........... ........... .133
5.2. Rhe´ologie des fluides a` seuil ...... .134
5.2.1. Fluides a` seuil simples.135
5.2.2. Fluides a` seuil thixotropes ...............................142
5.3. Proble`mes rhe´ome´triques spe´cifiques aux fluides a` seuil ........ .148
5.3.1. Choix d’une ge ´ome ´trie de mesure et pre ´cautions a` prendre .......149
5.3.2. Facteurs ge ´ome´triques pour les mesures de contrainte seuil .......149
5.3.3. He´te´roge ´ne ´ite´sd’e´coulements ............................151
5.4. Conclusion ........ ........... .155
´ ´References ................................... 156
Chapitre 6 : Syste`mes e´volutifs
6.1. Introduction ....... ........... ........... ........... .159
6.2. Thixotropie .161´ ´ ´vi LA MESURE EN RHEOLOGIE:DES AVANCEES RECENTES AUX PERSPECTIVES
6.2.1. De ´finition et phe ´nome ´nologie .............................161
6.2.2. Origine microscopique ............163
6.2.3. Caracte ´risation rhe ´ologique ........164
6.2.4. Mode ´lisation..............................179
6.3. Ge´lification ....... ........... .182
6.3.1. De ´finition et phe ´nome ´nologie .......182
6.3.2. Description microscopique ...............................183
6.3.3. Caracte ´risation rhe ´ologique ........189
6.3.4. Mode ´lisation ...................194
6.4. Conclusion ........ ........... ........... .197
´ ´References ........................ 198
Chapitre 7 : De