Cette thèse de doctorat a été financée par l’entreprise SIKA spécialisée dans les matériaux de construction. Les trois chapitres de cette thèse correspondent à la tentative de résolution de trois problématiques d’origine industrielle. Dans le premier chapitre, nous avons étudié l’effet de la concentration en particules sur les propriétés d’écoulement de fluides complexes rhéofluidifiants ou rhéoépaississants et démontré l’origine microscopique de cet effet. Dans le second chapitre, nous avons étudié la floculation de particules colloïdales sous faibles perturbations et mis en évidence l’existence, au cours de la reconstruction, d’un maximum du module élastique. Enfin le troisième chapitre est l’étude d’un diagramme de phase de jet de suspensions concentrées. En régime dilué et semi-dilué, les résultats sont conformes à ceux de la bibliographie, en revanche nous avons étudié un nouveau régime à très haute fraction volumique où le jet, instable, se met à osciller. Nous avons montré que ces oscillations étaient dues au rhéoépaississement de la suspension. / This thesis has been done in collaboration with the company SIKA, one of the leader if the construction industry. This thesis report is organized in three chapters where each of them tries to answer a problem coming from industrial processes. In the first chapter, we studied the impact of particles concentration on the flowing properties of complex fluids such as shear-thinning and shear-thickening fluids. We demonstrated the importance of local contacts between particles to explain the evolution of the viscosity with the volume fraction. In the second chapter, we studied the aggregation of colloidal attractive suspensions under small perturbations and proved the existence of a maximum of elastic modulus during the rebuilding of the structure. Finally, the third chapter is a study of a phase diagram of a concentrated suspension jets. In the diluted and semi-diluted regimes, we found results in agreement with the bibliography, meanwhile at very high concentration, we studied a new regime where the jet, unstable, is oscillating. We showed those oscillations can be explained by the shear-thickening behaviour of the suspensions at those high concentrations.

Les suspensions de grains rigides dans un fluide constituent une classe de fluides complexes présentant une rhéologie riche. Même dans les cas simples où le fluide est Newtonien, et les grains sphériques, non Browniens et non colloïdaux, les comportements macroscopiques observés restent mal compris, en particulier dans le cas de suspensions concentrées. Dans ces matériaux, la complexité de la dynamique provient de l'équilibre subtil qui se met en place entre les interactions de nature hydrodynamiques portées par le fluide interstitiel et les forces de contact entre les grains. Dans ce travail, nous abordons ces questions sous l'angle de la simulation numérique discrète, dans le cadre du cisaillement simple de suspensions concentrées 2D. Nous modélisons les efforts hydrodynamiques par des interactions de lubrification de paires, couplées à un modèle de contact éventuellement frottant. L'inertie des grains n'est pas négligée. Nous accédons à tous les coefficients du tenseur des contraintes, ce qui permet de mesurer pression, contrainte de cisaillement, et différence des contraintes normales, ainsi que les viscosités associées. L'étude du cisaillement à volume constant nous permet de mettre en évidence l'existence d'une transition de rhéo-épaississement entre un régime visqueuse à bas taux de cisaillement (contrainte proportionnelle au taux de cisaillement) et un régime inertiel à haut taux de cisaillement (contrainte proportionnelle au carré du taux de cisaillement), selon que la contrainte soit dominée par les interactions de lubrification ou par l'inertie des grains. Le taux de cisaillement de transition mesuré est compatible avec un argument d'échelle pour la contrainte, tenant compte de sa divergence avec la fraction volumique. Des simulations du cisaillement à pression constante nous permettent ensuite d'explorer le comportement de suspensions très concentrées (jusqu'à 1% de la fraction volumique de blocage théorique) dans leur domaine d'écoulement visqueux. Nous montrons que la rhéologie du mélange peut se décrire sous la forme d'une loi d'écoulement dépendante du seul nombre visqueux, construit comme le rapport entre un temps caractéristique de réarrangement local des grains sous l'effet des forces visqueuses et un temps typique de convection imposé par l'écoulement. Cette description nous permet de caractériser précisément la divergence de la contrainte avec la concentration en particules. Enfin, nous mesurons la microstructure stationnaire développée dans l'écoulement. Nous mettons en évidence une anisotropie importante des contacts générés, et discutons l'évolution de cette distribution avec la concentration du mélange / Suspensions of rigid grains in a fluid constitute a class of complex fluids that present a rich rheology. Even simpler cases of non-Brownian, non-colloidal spherical grains suspended in a Newtonian fluid feature macroscopic behaviours that are still not completely understood, especially when the concentration of particles is high. In these materials, the complexity of the dynamic is the result of the subtle balance that occurs between hydrodynamic interactions mediated by the interstitial fluid, and contact forces between grains. In this work, we tackle those questions from the point of view of discrete numerical simulations, in the context of the simple shear of 2D concentrated suspensions. Hydrodynamic interactions are modelled by pair lubrication, coupled with a possibly frictional contact law. Grains inertia is not neglected. We have access to the whole stress tensor, allowing the measure of pressure, shear stress, and normal stress difference, as well as their associated viscosities. The study of constant volume simple shear shows the existence of a shear-thickening transition between a viscous regime at low shear rate (stress proportional to the shear rate) and an inertial regime at high shear rate (stress proportional to the shear rate squared), depending on whether the stress is dominated by lubrication interactions or grains inertia. The position of the measured transition shear rate is consistent with a scaling argument for the stress that takes its divergence with concentration into account. Constant pressure simple shear simulations then let us explore the behaviour of very concentrated suspensions (up to 1% to the theoretical jamming fraction) in their viscous flow domain. We show that the rheology of the mix can then be described by a flow law that is only function of the viscous number, constructed as the ratio of a typical time for the local rearrangement of grains subjected to viscous forces, and a convection time consistent with the imposed flow. This allows a precise characterization of the divergence of stress with particles concentration. At last, we measure the stationary microstructure that develops within the flow. We show an important anisotropy of contacts, and discuss the evolution of this distribution with the concentration of the suspension

Les suspensions concentrées sont des fluides qui présentent des propriétés rhéologiques complexes. Ces propriétés sont modélisées par des équations structurelles qui considèrent à la fois les phases liquide et solide, mais avec un manque de lien avec les paramètres granulaires (en particulier la compacité des suspensions non modèles). L'objectif global de ce travail est d'étudier la dépendance de la viscosité de suspensions concentrées énergétiques aux propriétés physico-chimiques de leurs composants. Les propriétés ayant l'impact le plus significatif sur la viscosité sont choisies en utilisant la méthodologie des plans d’expériences. Le modèle résultant représente le diamètre médian D50 en volume de petites et grandes particules, la densité des grosses particules d, la surface spécifique des particules, la contrainte de cisaillement γ ̇ appliquée à la suspension, la viscosité du fluide de suspension ηf et une constante valeur pour la fraction volumique en solide φ≃0.51. De plus, ce modèle permet de prédire la viscosité des suspensions étudiées pour une fraction volumique en solide allant de 0 à 0,51 %. / Concentrated suspensions are fluids which display complex rheological properties. These properties are modelled through structural equations which consider both the liquid and solid phases, but with a lack of consistency for the granular parameters (in particular the maximum packing fraction of non-model suspensions). The overall objective of this paper is to investigate the dependence of the viscosity of energetic concentrated suspensions on the physicochemical properties of their components. The properties with the most significant impact on the viscosity are chosen using the Design of Experiments methodology. The resulting model accounts for the mass median diameter D50 in small and large particles, the large particles density d, the specific surface area of small particles, the shear stress γ ̇ applied to the suspension, the viscosity of the suspending fluid η_f and a constant value for the volume fraction in solid ϕ≃0.51. Moreover, this model allows predicting the viscosity of the studied suspensions for a volume fraction in solid from 0 to 0.51 %

Ce travail de thèse s’inscrit dans une approche fondamentale expérimentale de l’étude de suspensions céramiques, au travers de la mise en place d’un banc de mesure de diffusion dynamique de la lumière (DLS) sur une suspension en écoulement. L’étude a été effectuée sur des suspensions céramiques concentrées de silice nanométrique et de laponite dans une géométrie de Couette. La technique de mesure par DLS permet d’obtenir des informations locales telles que le taux de cisaillement et la vitesse locale des particules. À travers ces mesures et d’observation vidéo, les profils de vitesse ont permis de comprendre l’évolution du comportement rhéologique de ces suspensions concentrées. De plus, les suspensions concentrées en laponite forment un gel lorsque celles-ci sont au repos. Si ce gel subit un cisaillement, il se déstructure pour redevenir une suspension « liquide ». Cependant, du gel apparait sous cisaillement et sa formation a également été observée par DLS et par vidéo. / This thesis is part of a fundamental experimental approach to the study of ceramics suspensions, through the establishment of a panel of dynamic light scattering (DLS) measurement to a flowing suspension. The study was performed on ceramic concentrated suspensions of nanometric silica and laponite in Couette geometry. The measurement technique by DLS provides local information such as the shear rate and the local velocity of the particles. Through these measurements and video observation, velocity profiles have allowed to understand the evolution of the rheological behavior of concentrated suspensions. Moreover, concentrated suspensions of laponite form a gel when these are at rest. If this gel undergoes shear, this one deconstructs to become a « liquid » suspension. However, the gel appears under shear and its formation was also observed by DLS and camera.

Nous étudions des suspensions concentrées de particules non-colloïdales de PVC. Ces suspensions, appelées plastisols, sont utilisées principalement pour la fabrication de revêtements de sols.Elles présentent notamment un phénomène de rhéoépaississement (hausse de la viscosité en cisaillant). Nous montrons que cela provient des forces de frottement entre particules. En effet, à l’aide d’un microscope à force atomique, nous sommes pour la 1ère fois capable de relier directement la contrainte macroscopique d’apparition du rhéo-épaississement à la contrainte microscopique d’apparition de la friction solide entre particules.Nous caractérisons la viscosité de la suspension jusqu’à 100 000 s-1 et nous observons qu’une plus grande polydispersité limite le rhéoépaississement. Les différences de contraintes normales N1 et N2 sont aussi mesurées. Par ailleurs, des mesures à l’aide de rayons X ou d’ultrasons ne montrent aucune migration de particules sous cisaillement.Nous montrons également que la géométrie a un fort impact sur l’écoulement de la suspension concentrée. Un entrefer plus petit provoque une baisse de la viscosité et retarde le rhéoépaississement. Une approche non-locale permet de rationaliser les résultats.La substitution de particules de PVC par des particules de CaCO3 modifie profondément la viscosité et la densité d’empilement maximum. Nous développons alors des modèles simples pour modéliser ces effets. En outre, nous mesurons l’impact sur la rhéologie d’un éventuel surfactant à la surface des particules.Nous avons pu finalement étudier des instabilités observées en étalant ces suspensions à haute vitesse. Une instabilité de surface est d’abord observée. A plus haute vitesse, un dépôt se forme en aval sur le couteau. Nous corrélons ces instabilités avec l’apparition de différences de contraintes normales. / Highly concentrated and non-colloidal suspensions consisting of micrometric PVC particles dispersed in a liquid phase, were studied. These suspensions, called plastisol, are mostly used in vinyl flooring manufacture.A key feature of these suspensions is shear-thickening, since viscosity greatly increases as a function of the applied shear rate. This phenomenon is explained as being related to frictional forces between particles. Indeed, using an Atomic Force Microscope, we were able, for the first time, to link the macroscopic stress, at which shear-thickening appears, with the microscopic stress needed to enter a frictional regime.We then characterize the suspension viscosity up to 100 000 s-1. We observed that shear thickening is lowered with a more polydisperse powder. Large normal stress differences N1 and N2 were also measured, along with shear thickening. In addition, using both X-ray radiography and ultrasound, no particle migration in the sheared suspension could be detected.We also found that geometry plays a major role in the features of the flow of concentrated suspensions. For a smaller gap, the viscosity is lower and shear-thickening is pushed to higher shear rates. A non-local approach accounts for our experimental results.Replacing a number of PVC particles with CaCO3 particles changes both the viscosity and the maximum packing fraction quite dramatically. For both of these, we developed simple models that matched quite well with the experimental data. Moreover, we elucidate the rheological changes resulting from adding surfactant at the surface of each particle type.Finally, we investigated some instabilities observed while coating at high speed. At a moderate speed, a ribbing phenomenon appears. At a higher speed, a deposit is formed on the knife (downstream). The appearance of these instabilities correlates with normal stress differences