Influence des argiles sur les propriétés rhéologiques de mélanges granulaires LAFARGE 2009
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Influence des argiles sur les propriétés rhéologiques de mélanges granulaires 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: a b kaolinite montmorillonite c illite Ion potassium 0.72nm • Phylosilicates hydratés Distance variable suivant l’état d’hydratation 0.96nm Structure en feuillets TOT ou TO (T: couche silicaté, O: couche alumineuse) • Propriétés des argiles K+ n couches de H2 O et cations échangeables Minéraux lamellaires Affinité forte avec l’eau 0.25µm Surface spécifique importante 0.1µm 0.25µm Capacité d’adsorption importante • Minéraux de petite taille (<µm) et de forte anisotropie Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 25nm 25nm 25nm 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 Mortier Référence 1% m assique Montm orillonite/sable 400 2% m assique Montm orillonite/sable Etalement (mm) 350 Test d’étalement (« slump ») 300 250 200 150 étalement nul 100 50 Détérioration de l’ouvrabilité du béton Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 0 5 Temps (min) 20 60 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 Paramètres rhéologiques recherchés • contrainte seuil σy : contrainte minimale permettant un écoulement • viscosité infinie η∞ : viscosité aux grands cisaillements Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie Mesures rhéologiques des systèmes granulaires Caractérisation rhéologiques des systèmes granulaires • Modélisation: r f 1 Pe Pe 2 avec Pe c et y = - c (Baravian, 2003) • Domaine de transition granulaire cohérents avec données bibliographiques (Pierson et Scott, 1985; Ancey, 2001) • Evolution de la contrainte seuil et de la viscosité infinie en fonction de la fraction volumique Courbes de référence sans argiles Quemada, 1977 Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie Influence des argiles sur la rhéologie des sables Caractérisation rhéologiques des systèmes sable + montmorillonite 1% montmorillonite 2% montmorillonite 3% montmorillonite 5% 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 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 • illite impacte la contrainte seuil mais pas la viscosité infinie kaolinite • 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 Suspensions argiles dans le Emkarox Montmorillonite >illite >kaolinite Impact des argiles dans les systèmes granulaires Montmorillonite >illite >kaolinite illite kaolinite L’influence des argiles sur la rhéologie des systèmes granulaires est due aux interactions eau-argiles Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie 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 4 r eff eq • Notion de volume effectif prenant en compte l’anisotropie des particules 3 e a e Caractérisation rhéologiques des systèmes sable + montmorillonite d’anisotropie croissante Anisotropie Montmorillonites: Wyoming > Arizona > Sardaigne 2% argile 3% argile 5% argile 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 Séminaire École Doctorale RP2E, Janvier 2009 Christian BLACHIER, Laboratoire Environnement et Minéralurgie
