Evaluation of the Viscoelastoplastic Properties of a Clay Material Using a Flow Curve
Evaluation des propriétés viscoélastoplastiques des matériaux argileux en utilisant des courbes d'écoulement
Résumé
The specific properties of bentonite such as hydration, swelling, water absorption, viscosity, yield stress and thixotropy make it a valuable material in the form of mineral powder for a wide range of uses in agronomy, cosmetics and civil engineering. A flow curve is a quick test used to evaluate the rheological basic properties of a viscous fluid. However, many bentonite dispersions exhibit a complex flow curve, with yield stress and thixotropy area, especially at high concentration. In this study, flow curves from raw and activated bentonites dispersed in water were acquired at 6, 8 and 10% mass concentrations. Five stages along the flow curve were identified. To explain each stage, rheograms obtained from a dispersion made with a model material were studied in depth. The model material was a smectite extracted from a raw bentonite then saturated with calcium or sodium. Many homoionic and bi-ionic dispersions were prepared at various concentrations. The analysis and the modelling of some creep-recovery tests by a Zener model showed the relationship between the initial stage in the flow curve, named AB stage, and the viscoelastic properties of the fluid. The AB stage corresponds to the deformation of the material in the solid state. tB point corresponds to an intermediate yield stress between the solid state and the start of the heterogeneous fracturation. The study of many bi-ionic dispersions allowed drawing the evolution of the yield stress as a function of concentration and saturation. The composition of the raw bentonites was expressed as an equivalent bi-ionic dispersion by calculating an active smectite percentage. A good correlation was obtained at the highest concentrations between tB from the bi-ionic model dispersions and the raw bentonites dispersions.
Les bentonites sont des matériaux naturels contenant de la smectite. Cette argile est susceptible d'adsorber de l'eau pour créer des gels aux propriétés rhéologiques couramment utilisées en agronomie, en cosmétique ou dans le domaine du génie civil. La réalisation de courbes d'écoulement permet d'évaluer les propriétés rhéologiques de base d'un fluide visqueux. Toutefois de nombreuses suspensions de bentonites révèlent des courbes d'écoulement complexes, avec un seuil d'écoulement et une aire de thixotropie, surtout à forte concentration. Dans cette étude, des courbes d'écoulement ont été réalisées sur des suspensions aqueuses de bentonites naturelles et activées à des concentrations massiques de 6, 8 et 10%. Les rhéogrammes ont été découpés en cinq parties. L'origine structurelle de chaque partie a été décrite grâce à l'étude approfondie d'une smectite extraite d'une bentonite naturelle puis saturée au calcium ou au sodium. Plusieurs suspensions homoioniques et bi-ioniques ont été préparée à diverses concentrations. Des essais de fluage recouvrance, analysés et modélisés avec le modèle de Zener, ont montrés une relation entre la partie initiale de la courbe d'écoulement, nommé AB, et les propriétés viscoélastiques du fluide. La partie AB correspond à la déformation du matériau à l'état solide. A partir de la contrainte seuil tB, le matériau commence à se fracturer de façon hétérogène. L'étude de nombreuses suspensions mixtes composées d'un mélange de smectite calcique et sodique a permis de tracer l'évolution du seuil d'écoulement en fonction de la concentration et de la saturation de la suspension. Les bentonites brutes sont comparées aux smectites mixtes par le calcul d'un pourcentage de smectite active. Aux concentrations élevées, les valeurs de tB obtenues pour les bentonites brutes sont corrélées aux valeurs obtenues pour les mélanges de smectites équivalents.