Influence de la taille et de la gradation des particules sur la résistance au cisaillement et le comportement dilatant des matériaux granulaires

Résumé : Cette étude examine l'impact de la taille et de la gradation de particules sur les corrélations théoriques et empiriques existantes les plus connues entre la résistance au cisaillement et le comportement dilatatant des matériaux granulaires en condition de déformation plane et en compression triaxiale drainée. À cette fin, 276 tests de cisaillements symétriques directs et 35 tests de compressions triaxiales drainées ont été menés sur des échantillons composés de billes de basalte (particules rondes), et de sables constitués de particules angulaires (sable de Péribonka et sable d'Eastmain) sur une échelle de 63 µm à 2000 µm afin d'évaluer leur résistance au cisaillement et leur comportement de dilatance sur une vaste échelle de pressions normales et de densités relatives initiales. Premièrement, la fiabilité et l'applicabilité des limites de mesure à l’aide de tests physiques de cisaillements symétriques directs dans l'interprétation de la résistance au cisaillement frictionnel en déformation plane des matériaux granulaires ont été discutées et confirmées par l'usage du code informatique DEM, SiGran. L'accent a été particulièrement mis sur la validation du modèle DEM au moyen de comparaison des résultats des simulations DEM avec leurs équivalents physiques à une échelle macro. Les résultats virtuels DSA sont abordés du point de vue de la coaxialité entre les principales tensions et les principales directions des paliers de pression ainsi que de la déviation de la direction d'extension nulle à partir de la direction horizontale. Les résultats numériques fournissent également des données quantitatives sur les différentes formes d'énergie consommées durant le cisaillement confirmées par d'autres résultats physiques et numériques publiés. Sur la base des postulats précédents, un examen minutieux des résultats des essais de cisaillements directs et de données issues de la littérature a été accompli afin d'évaluer la fiabilité des formules empiriques bien connues de Bolton et Collins et al. avec leurs constantes couramment employées en condition de déformation plane. L'étude montre qu'une application des relations empiriques de force-dilatation de cisaillement avec les constantes proposées par Bolton (1986) et Collins et al. (1992) aux sables ayant une distribution de taille de particules différente peut conduire à surestimer leurs valeurs en terme de force de cisaillement. Dans cette étude, les coefficients des équations de Bolton et Collins et al. ont donc été ajustée afin de prendre en compte les caractéristiques des particules, en particulier le diamètre médian, D50. De manière analogue, les effets microstructuraux imposés par la géométrie interne des particules (par exemple la taille, la forme et la gradation des particules) sur la relation tension-dilatation très connue, celle de Rowe (1962), et son ajustement empirique en condition triaxiale drainée ont été examinés dans cette étude. Une comparaison des prédictions des formules proposées avec les données de force de cisaillement issues de la littérature fournit de nombreuses preuves en faveur des contraintes mises en place au sein des relations existantes de force-dilatation de cisaillement en condition de déformation plane et triaxiale. Ces comparaisons prouvent également que la prise en compte de la taille des grains conduit à des résultats plus tangibles que lorsque la taille de la particule n'est pas considérée. Les formules de force-dilatation ajustées peuvent se révéler avantageuses pour évaluer indépendamment la cohérence des forces de cisaillement déterminées expérimentalement et pour introduire des lois d’écoulement plus précises dans les analyses géotechniques analytiques et numériques.

Physical and chemical kinetics of structural build-up of cement suspensions

Abstract : The structural build-up of fresh cement-based materials has a great impact on their structural performance after casting. Accordingly, the mixture design should be tailored to adapt the kinetics of build-up given the application on hand. The rate of structural build-up of cement-based suspensions at rest is a complex phenomenon affected by both physical and chemical structuration processes. The structuration kinetics are strongly dependent on the mixture’s composition, testing parameters, as well as the shear history. Accurate measurements of build-up rely on the efficiency of the applied pre-shear regime to achieve an initial well-dispersed state as well as the applied stress during the liquid-solid transition. Studying the physical and chemical mechanisms of build-up of cement suspensions at rest can enhance the fundamental understanding of this phenomenon. This can, therefore, allow a better control of the rheological and time-dependent properties of cement-based materials. The research focused on the use of dynamic rheology in investigating the kinetics of structural build-up of fresh cement pastes. The research program was conducted in three different phases. The first phase was devoted to evaluating the dispersing efficiency of various disruptive shear techniques. The investigated shearing profiles included rotational, oscillatory, and combination of both. The initial and final states of suspension’s structure, before and after disruption, were determined by applying a small-amplitude oscillatory shear (SAOS). The difference between the viscoelastic values before and after disruption was used to express the degree of dispersion. An efficient technique to disperse concentrated cement suspensions was developed. The second phase aimed to establish a rheometric approach to dissociate and monitor the individual physical and chemical mechanisms of build-up of cement paste. In this regard, the non-destructive dynamic rheometry was used to investigate the evolutions of both storage modulus and phase angle of inert calcium carbonate and cement suspensions. Two independent build-up indices were proposed. The structural build-up of various cement suspensions made with different cement contents, silica fume replacement percentages, and high-range water reducer dosages was evaluated using the proposed indices. These indices were then compared to the well-known thixotropic index (Athix.). Furthermore, the proposed indices were correlated to the decay in lateral pressure determined for various cement pastes cast in a pressure column. The proposed pre-shearing protocol and build-up indices (phases 1 and 2) were then used to investigate the effect of mixture’s parameters on the kinetics of structural build-up in phase 3. The investigated mixture’s parameters included cement content and fineness, alkali sulfate content, and temperature of cement suspension. Zeta potential, calorimetric, spectrometric measurements were performed to explore the corresponding microstructural changes in cement suspensions, such as inter-particle cohesion, rate of Brownian flocculation, and nucleation rate. A model linking the build-up indices and the microstructural characteristics was developed to predict the build-up behaviour of cement-based suspensions The obtained results showed that oscillatory shear may have a greater effect on dispersing concentrated cement suspension than the rotational shear. Furthermore, the increase in induced shear strain was found to enhance the breakdown of suspension’s structure until a critical point, after which thickening effects dominate. An effective dispersing method is then proposed. This consists of applying a rotational shear around the transitional value between the linear and non-linear variations of the apparent viscosity with shear rate, followed by an oscillatory shear at the crossover shear strain and high angular frequency of 100 rad/s. Investigating the evolutions of viscoelastic properties of inert calcite-based and cement suspensions and allowed establishing two independent build-up indices. The first one (the percolation time) can represent the rest time needed to form the elastic network. On the other hand, the second one (rigidification rate) can describe the increase in stress-bearing capacity of formed network due to cement hydration. In addition, results showed that combining the percolation time and the rigidification rate can provide deeper insight into the structuration process of cement suspensions. Furthermore, these indices were found to be well-correlated to the decay in the lateral pressure of cement suspensions. The variations of proposed build-up indices with mixture’s parameters showed that the percolation time is most likely controlled by the frequency of Brownian collisions, distance between dispersed particles, and intensity of cohesion between cement particles. On the other hand, a higher rigidification rate can be secured by increasing the number of contact points per unit volume of paste, nucleation rate of cement hydrates, and intensity of inter-particle cohesion.