L’injection de mousse liquide dans des matériaux granulaires intervient dans de nombreux processus industriels et environnementaux, allant de la dépollution des sols à la stabilisation des terrains excavés. Cette thèse vise à explorer le comportement mécanique de ces systèmes complexes, où l’interaction entre les grains et la mousse liquide influence directement la cohésion et la rhéologie du matériau. Le projet s’appuiera sur des expérimentations avancées (tomographie RX, rhéométrie, imagerie synchrotron) et des simulations numériques pour caractériser l'évolution de la microstructure et des propriétés d’écoulement. Cette recherche sera menée au sein du Laboratoire Navier, en collaboration avec des experts en rhéophysique et milieux poreux.

L’injection de mousse liquide dans des matériaux granulaires intervient dans de nombreux procédés, notamment dans la dépollution et la remédiation des sols [1, 2, 3], ainsi que dans la stabilisation des sols sableux excavés par des tunneliers [4, 5]. Dans un autre contexte, la production de blocs de construction peut être envisagée à partir de matériaux granulaires issus de filières de recyclage, en liant les grains entre eux à l’aide d’une mousse initialement liquide [6]. La granulation par mousse est un procédé de transformation des poudres en granulés, où la mousse liquide joue le rôle d’agent d’agglomération. Par rapport à l’utilisation d’un liant liquide pur [7], cette approche permet de mieux contrôler l’humidification des particules et la formation des granules [8]. Dans plusieurs applications, il est essentiel de maîtriser avec précision le comportement rhéologique des mélanges grains-mousse afin d’assurer l’efficacité du procédé. Pourtant, cet aspect reste encore peu étudié et largement méconnu.

L’étude du système mousse-grains est scientifiquement intéressante car elle combine deux classes de matériaux aux comportements complexes. Les milieux granulaires présentent des propriétés mécaniques particulières, avec des transitions entre états solide et liquide en fonction des contraintes appliquées. La mousse liquide est intrinsèquement cohésive : ses bulles sont maintenues en contact les unes avec les autres, d’autant plus fermement que sa teneur en liquide est faible. Cette cohésion est renforcée lorsque les bulles sont de petite taille. Toutefois, la mousse est un matériau sujet au vieillissement : au fil du temps, la diffusion du gaz entre les bulles entraîne une augmentation de leur taille [9, 10]. Dès lors, dans quelle mesure les grains mélangés à la mousse bénéficient-ils de cette cohésion ? Et comment influence-t-elle la transition entre les états solide et liquide du milieu ? La cohésion observée lorsque le système est statique est-elle modifiée par une mise en écoulement ? Ce système évolue-t-il avec le temps et, si oui, selon quelles dynamiques ? Autant de questions qui méritent d’être approfondies.

Objectifs de la thèse :

Cette thèse vise à explorer le comportement mécanique de matière granulaire interagissant avec de la mousse liquide, en s’intéressant plus spécifiquement à :

• La cohésion des empilements de grains imbibés de mousse ainsi que la contrainte critique (ou contrainte seuil) déclenchant leur mise en écoulement. Ces grandeurs seront étudiées en fonction de la fraction volumique de liquide, de la taille des grains et de celle des bulles. Leur évolution temporelle sera également analysée, notamment en lien avec le mûrissement de la mousse.
• Nous établirons la relation entre la contrainte et la vitesse de déformation (cisaillement) régissant l’écoulement de ces systèmes, en tenant compte des paramètres mentionnés précédemment.
• Par ailleurs, la microstructure des empilements sera caractérisée afin d’établir des liens avec les lois d’écoulement déterminées. Une attention particulière sera portée à l’évolution de la taille des bulles situées entre les grains, tant en conditions statiques que sous cisaillement.
• Enfin, nous mesurerons la loi dite textit{locale}, décrivant l’interaction entre grains voisins immergés dans la mousse liquide. L’influence de la fraction liquide ainsi que des tailles de grains et de bulles sera quantifiée. Ces résultats pourront être intégrés dans des simulations numériques d’éléments discrets, permettant d’explorer le comportement d’ensemble des grains imprégnés de mousse.

Méthodologie :

• La préparation des systèmes grains-mousse s’appuiera sur l’expertise approfondie et singulière du laboratoire dans ce domaine [11-14]. Nous serons en mesure de contrôler précisément la composition des échantillons en termes de fractions volumiques (liquide/gaz et grains) et de tailles. Afin de simplifier l’étude, les grains seront de taille uniforme, tout comme les bulles, du moins dans une première phase.
• Les expériences visant à déterminer les propriétés rhéologiques des systèmes seront menées dans une cellule osmotique spécialement développée et installée sous un rhéomètre. Cette cellule permettra de fixer la fraction liquide pendant les mesures et d’analyser son impact sur la rhéologie.
• L’imagerie volumique et la caractérisation de la microstructure des systèmes seront réalisées à l’aide de notre micro-tomographe RX. De plus, une campagne de tomographie ultra-rapide au synchrotron Soleil permettra d’explorer les aspects dynamiques du système.
• Un dispositif de mesure de force entre deux grains immergés dans la mousse liquide, développé au laboratoire, offrira un accès direct à la loi locale d’interaction.
• Un travail de modélisation physique sera mené afin d’interpréter nos observations et de formuler des lois pouvant être utilisées ultérieurement pour prédire le comportement rhéologique de ces systèmes à la complexité double.
• Enfin, des simulations numériques basées sur des méthodes d’éléments discrets seront mises en œuvre afin de reproduire le comportement macroscopique des systèmes à partir de la loi locale déterminée expérimentalement.

Références :

[1] G. J. Hirasaki. The steam-foam process. Journal of Petroleum Technology, 41:449–456, 1989.

[2] H. Bertin, O. Apaydin, L. Castanier, and A. Kovscek. Foam flow in heterogeneous porous media: effect of cross flow. SPE Journal, 4:75–82, 1999.

[3] A. Kovscek and H. Bertin. Foam mobility in heterogeneous porous media. Transport Porous Media, 52:17–35, 2003.

[4] L. Langmaack and K. F. Lee. Difficult ground conditions? use the right chemicals! chances–limits–requirements. Tunnelling and Underground Space Technology, 57:112–121, 2016.

[5] X. Zhou and Y. Yang. Effect of foam parameters on cohesionless soil permeability and its application to prevent the water spewing. Applied Sciences, 10:1787, 2020.

[6] O. Pitois. ANR BondingFoam. https://anr.fr/Projet-ANR-23-CE51-0030, 2023.

[7] Lhassan Amarsid, Ahmad Awdi, Abdoulaye Fall, Jean-Noël Roux, and François Chevoir. Viscous effects in sheared unsaturated wet granular materials. Journal of Rheology, 68(4):523–537, 2024.

[8] Melvin X. L. Tan and Karen P. Hapgood. Foam granulation: Effects of formulation and process conditions on granule size distributions. Powder Technology, 218:149–156, 2012.

[9] Isabelle Cantat, Sylvie Cohen-Addad, Florence Elias, François Graner, Reinhard Höhler, Olivier Pitois, Florence Rouyer, and Arnaud Saint-Jalmes. Foams: Structure and Dynamics. Oxford University Press, Oxford, 2013.

[10] P. Stevenson. Foam Engineering: Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons, New York, 2012.

[11] François Gorlier, Yacine Khidas, and Olivier Pitois. Yielding of complex liquid foams. Journal of Rheology, 61(5):919–930, September 2017.

[12] Olivier Pitois, Ali Salamé, Yacine Khidas, Margaux Ceccaldi, Vincent Langlois, and Sébastien Vincent-Bonnieu. Daisy-shaped liquid bridges

in foam-filled granular packings. Journal of Colloid and Interface Science, 638:652–660, 2023.

[13] M. Ceccaldi, V. Langlois, M. Gu´eguen, D. Grande, S. Vincent-Bonnieu, and O. Pitois. Liquid relative permeability through foam-filled porous media: Experiments. Physical Review Fluids, 8:024302, 2023.

[14] A. Salamé, V.-T. Nguyen, V. Langlois, A. Petit, B. Soltner, O. Pitois, and S. Vincent-Bonnieu. Enhanced coarsening induced by pore confinement.

Phys. Rev. E, 111:L013401, Jan 2025.

[15] V. Langlois. Navier Laboratory. Surface Evolver Simulation, 2024.

Funding category: Contrat doctoral

CNRS

PHD title: Doctorat en mécanique des milieux granulaires et mousses liquides

PHD Country: France