A suspension is a fully saturated mixture of discrete solid particles and interstitial liquid. Examples of suspensions include pastes, slurries, cement, food-spreads, drilling fluids and some geophysical flows. The present work focusses on granular (as opposed to colloidal) suspensions, which we define as those for which the thermal motion of the solid particles is negligible. Despite such ubiquity in industry and nature, our understanding of the mechanical properties of suspensions lags behind that of their constituent solid and liquids. In this thesis, the discrete element method is used to simulate suspension flow in shear, capillary and constriction geometries, mapping and characterising the fundamental flow, or rheological, regimes. As a starting point (Chapter 2), we consider an established regime map for dry granular materials, appropriate for flows of sand, grains and dry debris. Taking guidance from shear flow simulations that consider the lubricating effect of an interstitial liquid, we recast the regime map for a general suspension, elucidating flows comparable to the dry material or to a viscous liquid, dependent on the shear rate, liquid viscosity and particle stiffness. We give an account of the microstructural traits associated with each regime. Motivated by recent groundbreaking theoretical, computational and experimental work, we incorporate the emerging picture of frictional shear thickening into our regime map (Chapter 3). Our shear flow simulations capture the shear thickening behaviour and demonstrate that it may, in principle, occur in any of the identified flow regimes. Our simulations of time-dependent shear flows (Chapter 4), specifically flow reversal, provide a detailed micro-mechanical explanation of a longstanding and previously unexplained experimental finding, guiding future experimentalists in decomposing the particle and liquid contributions to the viscosity of any suspension. Indeed, the findings have already been exploited in the devising of an experimental protocol that has successfully proven the dominance of particle contacts in driving shear thickening. We next consider suspension flow in a microchannel (Chapter 5), finding that the identified shear flow regimes are locally applicable to flows in complex geometries under inhomogeneous stress conditions only when the local mean shear rate exceeds temporal velocity fluctuations. A more comprehensive description is therefore required to fully characterise the flow behaviour in this geometry. Finally (Chapter 6), we simulate pressure driven suspension flow through a constriction geometry, observing highly inhomogeneous stress distributions and velocity profiles. The roles of particle and fluid properties are considered in the context of an industrial paste extrusion process.

La présence d’argile dans les granulats (sables et graviers), influencent considérablement les propriétés rhéologiques des bétons. Considérant les évolutions techniques apportées au béton ces dernières années, la compréhension des mécanismes de nocivité des argiles est donc d’un intérêt majeur sur le plan industriel. Au cours de cette étude, nous avons scindé la problématique en deux parties, la première s’attardant plus spécifiquement sur les mécanismes d’adsorption aux surfaces des argiles. Une analyse fines des interactions polymere-argile par IR, SAXS-WAXS et mesure d’adsorption a alors permis de valider l’adsorption des superplastifiants par les argiles et le rôle bénéfique de l’utilisation de molécule cationique (F25) pour empêcher leur fixation. La détermination d’un processus d’adsorption par échange cationique de ces molécules explique d’une part leur effet inertant et d’autre part la restructuration des particules d’argile à l’échélle du micron comme du nanométre. Dans un deuxième temps, une étude rhéologique des systèmes granulaires a permis de caractériser l’effet intrinséque de argiles sur les propriétés d’écoulement de ces systèmes. L’étude des suspensions d’argile a démontré le rôle de la rétention d’eau par les argiles. L’anisotropie des particules, caractérisée au moyen de différentes techniques (MET, SAXS-WAXS), permet d’expliquer cette rétention d’eau / Clay minerals which can be found in granular materials strongly influence the rheological properties of fresh concrete. Due to the recent technical evolution of concrete, the understanding of the effect of clays in such systems takes on a significant industrial interest. This study was divided into two part, the first one dealing with the adsorption mechanisms of two polymers onto clay surfaces: a superplasticizer (PCP) and a polycation (F25). IR and SAXS-WAXS analysis together with adsorption measurment revealed that superplasticizer are adsorbed by clays and that the used of polycation inhibites clays-PCP interactions. The adsorption process of F25 onto clays by cationic exchange explains the preferential adsorption of cationic compounds rather than PCP and the restructuration of clay particles at the nano and micronic scale during the adsorption. In a second part, the rheological study of granular suspensions revealed a strong effect of clay particles on the flow behaviors of such systems. The rheological study of pure clay suspensions allowed the modelisation of the effect of clays on granular suspensions using excluded volume. In this case, the anistropic features of clays particles characterized by various technics (TEM, SAXS-WAXS) explains water retention properties of such nanometric minerals

Les comportements thermiques d'une suspension granulaire en deux dimensions maintenue dans un état stationnaire hors équilibre ont été étudiés expérimentalement. L'analyse de la distribution spatiale des particules a montré qu’il existe une équation d’état reliant la densité de particules et deux autres quantités mesurables que nous interprétons comme une température et une pression granulaire. Cette équation d’état révèle l’existence d’interactions interactions attractives entre les particules. De plus, la dépendance de cette température aux différentes quantités physiques du problème montre qu'il existe deux régimes de fluctuations, que nous interprétons comme des régimes inertiels et visqueux. Dans ce dernier régime, la suspension se comporte de manière additive : il n'existe pas de corrélations à longue portée sur les fluctuations de densité, ce qui est étonnant dans une suspension où les corrélations de vitesses sont connues pour être à longue portée. Deuxièmement, le système exhibe une transition de phase ordre/désordre caractérisée par de grandes fluctuations et des hétérogénéités qui émergent proche du point critique. Ces hétérogénéités sont constituées d'amas de particules localement cristallisées dans une phase fluide désordonnée. L'analyse de la morphologie de ces structures révèlent une invariance d'échelle et a permis d'extraire plusieurs exposants critiques à l'aide d'outils de la théorie de la percolation. Troisièmement, la puissance injectée pour maintenir le système dans un état stationnaire hors équilibre peut être relié simplement à certaines quantités physiques de la suspension, et montre que l'injection de l'énergie se fait de la même manière quelque soit la phase ou le régime de fluctuations de la suspension. / The thermal-like behavior of a two-dimensional granular suspension maintained in an out-of equilibrium steady state is experimentally studied. We uncovered a state equation relating the density of particles and two measureable quantities that we interpret as a pressure and a temperature. The comparison of the equation of state to the hard disks one shows that there is attractive interaction between particles. The dependency of the temperature to the physical quantities of our suspension shows two regimes of fluctuations that we interpret as a viscous and an inertial regime. In the viscous regime, the system is additive: there is no long range correlation on fluctuations of density, which is surprising in a suspension where velocity correlations are usually known to be long ranged. Second, the system is subjected to liquid-to-crystal phase transition characterized by large fluctuations and heterogeneities that rise near the critical point. Heterogeneities are made of many locally crystallized patches of particles surrounded by a disordered fluid phase. The analysis of their morphologies shows scale invariance and allowed to extract several critical exponents using tools of percolation theory. Third, the energy flux which goes through the suspension in order to keep the system in a out of equilibrium steady state can be expressed simply with respect to physical quantities of the system, and shows that the way we inject energy is independent from the phase or the fluctuations regime of the system.

Quantifier l'impact des vibrations sur les propriétés rhéologiques des suspensions granulaires trouve son intérêt en géophysique et dans de nombreux secteurs industriels. Par exemple, les mécanismes de liquéfaction des sols sous l'effet d'une secousse demeurent mal connus à ce jour. L'objet de cette thèse est d'apporter une compréhension fondamentale des modifications induites par les vibrations sur les propriétés physiques et mécaniques d'un système modèle composé de billes de verre sphériques et monodisperses immergées dans un fluide newtonien en concentration dense (Φ≈0.61). Dans un premier temps, le comportement rhéologique macroscopique global des suspensions a été étudié à l'aide d'un rhéomètre couplé à une cellule vibrante. Les vibrations font disparaître la contrainte seuil du matériau et font apparaître un plateau newtonien contrôlé par une compétition entre les contraintes de lubrification et les contraintes frictionnelles. Un autre type d'expérience, la rhéométrie à chute de bille par Imagerie par Résonance Magnétique, montre des résultats similaires. Dans un second temps, la dynamique de réorganisation locale des grains a été sondée grâce à des expériences de diffusion de la lumière faisant appel à une caméra CCD et fondées sur l'analyse des fluctuations d'intensité des figures de speckle. Cette technique a permis de sonder la dynamique des particules aux temps longs. Il est apparu que le temps caractéristique de relaxation obtenu est relié à la viscosité au plateau newtonien de la suspension granulaire vibrée, ce qui a permis d'établir un lien entre le comportement rhéologique macroscopique des échantillons et la dynamique diffusionnelle à l'échelle du grain / Quantify the impact of vibrations on the rheological properties of granular suspensions is of paramount importance in many environmental or industrial areas. For example, the soil liquefaction mechanisms, as a result of an earthquake, remain poorly understood by now. The purpose of this thesis is to provide a fundamental understanding of the modifications induced by the vibrations on physical and mechanical properties of a model concentrated suspension (Φ≈0.61), made up of spherical monodisperse glass beads immersed in a Newtonian fluid. In a first step, the macroscopic rheological behavior of this system has been studied using a classical rheometer coupled with a vibrating cell. The vibrations induce the vanishing of the yield stress of the material and the emergence of a Newtonian plateau at low shear. Thus, it has been shown that the viscosity of the suspension is controlled by a competition between lubrication and frictional stresses. Another type of experiment, the falling ball rheometry by Magnetic Resonance Imaging, shows similar results. In a second step, the local dynamics of the grains was probed by diffusing wave spectroscopy using a CCD camera based on the analysis of the intensity fluctuations of speckle patterns. This technique allowed to probe the dynamics of particles at long times. It appears that the characteristic relaxation time obtained is related to the suspension viscosity, thereby linking the macroscopic rheological properties to the diffusional dynamics at the grain scale