Rheology and microstucture of concentrated non-brownian fiber suspensions

Dans ce travail, nous étudions le comportement rhéologique de suspensions concentrées de fibres non-browniennes. Dans un premier temps, nous avons élaboré de nouvelles méthodes expérimentales en géométrie torsionnelle plan-plan, pour mesurer la viscosité, les deux différences de contraintes normales, ainsi que les contraintes normales d'origine particulaire. Nous avons été en mesure d'apporter des résultats originaux qui ont été interprétés en termes d’évolution de la microstructure des suspensions de fibres. Les mesures de la viscosité en régimes stationnaire et transitoire ont permis de mettre en évidence l'importance de l'orientation et de l'effet du confinement sur la viscosité. Par ailleurs, nous avons obtenu pour la première fois des mesures indépendantes des deux différences de contraintes normales en géométrie torsionnelle plan-plan. Les mesures de la pression dans le fluide interstitiel nous ont donné accès aux contraintes normales particulaires et apporté une première mise en évidence expérimentale du phénomène de migration des fibres dans les suspensions non-browniennes. Dans un deuxième temps, nous avons établi deux modèles théoriques qui tentent d'expliquer la rhéofluidification des suspensions de fibres concentrées par une compétition entre des forces adhésives entre fibres et les forces hydrodynamiques et qui proposent un scénario de formation et de destruction d'agrégats. Les résultats de ces modèles sont alors confrontés aux mesures expérimentales et rendent bien compte du comportement de la viscosité sur une large gamme de taux de cisaillement.In this manuscript we investigate, both experimentally and theoretically, the rheological behavior of concentrated non-Brownian fiber suspensions. The experiments consist in developing new methods for measuring the viscosity, the two normal stress differences as well as the particle normal stresses, in torsional plate-plate geometry. We were able to bring original results that have been interpreted by the evolution of the microstructure of the fiber suspensions during the flow. The experiments in stationary and transient regime highlight the importance of fiber orientation and the effect of the confinement on the viscosity measurement. For the first time, the first and the second normal stress differences have been measured separately in a torsional flow. Furthermore, thanks to the measurement of the pore pressure in the suspensions, an estimation of the particle normal stresses has been carried out and, for the first time the phenomenon of fiber migration in non-Brownian suspensions has been evidenced. From a theoretical point of view, we developed two complementary models that tend to explain shear-thinning behavior in concentrated fiber suspensions by a balance between adhesive and hydrodynamic forces and propose a scenario for the formation and the destruction of aggregates. These models are then tested against experimental measurements in a wide range of shear rates