Quand les sphères molles rendent les milieux poreux plus rigides
Des chercheurs de l'Université de Stuttgart et de l'Université de Twente parviennent à une caractérisation tridimensionnelle
Les milieux poreux tels que le béton représentent physiquement un emballage sphérique de différents composants - dans ce cas, le ciment, la roche et l'eau. Les propriétés mécaniques de ces mélanges sont encore difficiles à calculer en raison de leur nature discrète. Une équipe dirigée par les professeurs Holger Steeb (université de Stuttgart) et Stefan Luding (université de Twente, Pays-Bas) a pu étudier une propriété inattendue des mélanges de milieux granulaires constitués de particules sphériques souples et rigides. Pour ce faire, une combinaison d'investigations par ultrasons et d'imagerie tomographique à rayons X a été utilisée, permettant une caractérisation et une évaluation tridimensionnelles (3D). La revue PNAS en a rendu compte. Cette découverte pourrait contribuer à rendre plus sûres les futures constructions dans les zones sismiques.
Emballage sphérique avec des sphères souples et rigides dont les propriétés mécaniques effectives sont étudiées au moyen d'ondes ultrasoniques et de rayons X.
Universität Stuttgart/Matthias Ruf, University of Twente, Dr. Kianoosh Taghizadeh
L'analyse de la composition exacte des matériaux poreux, tels que le béton ou l'asphalte, et de son influence sur les propriétés mécaniques des matériaux qui en résultent, joue un rôle extrêmement crucial dans diverses applications techniques. En effet, ce n'est qu'en connaissant le rapport de mélange exact et le comportement effectif du matériau qui en résulte que ces matériaux poreux peuvent être adaptés à des "exigences d'application" spécifiques. Par exemple, lorsqu'un matériau composite est constitué d'une matrice polymère souple et de fibres de renforcement rigides, la rigidité élastique effective du matériau composite peut être augmentée en augmentant la teneur en fibres. La rigidité effective résultante peut être déterminée expérimentalement et de manière non destructive à partir du temps de parcours d'une impulsion sonore à travers l'emballage sphérique granulaire.
Amélioration des modèles prédictifs grâce à des études expérimentales ciblées
Dans ce contexte, les équipes du professeur Holger Steeb, chercheur principal au Centre de recherche collaborative 1313 et au Centre d'excellence SimTech (EXC 2075), et du professeur Stefan Luding (Université de Twente, Pays-Bas) étudient les propriétés élastiques effectives des garnitures sphériques à l'aide d'ultrasons dans le "Porous Media Lab" de l'Université de Stuttgart. Kianoosh Taghizadeh et Matthias Ruf de la chaire de mécanique des milieux continus font partie de l'équipe de Stuttgart.
Dans l'expérience, les chercheurs ont d'abord préparé des emballages sphériques de sphères de verre rigides et de sphères de caoutchouc mou de taille égale dans différents rapports de mélange. Ces garnitures ont fait l'objet d'une étude mécanique dans un cylindre transparent aux rayons X (PMMA) équipé de capteurs et d'actionneurs ultrasoniques piézoélectriques dans des conditions de charge axiale définies. Il est intéressant de noter que l'ajout de 20 % de sphères de caoutchouc (souples) n'a pas réduit la rigidité effective des garnitures, mais l'a améliorée. Toutefois, lorsque la fraction de sphères en caoutchouc est supérieure à 30 %, la rigidité commence à diminuer car le réseau global n'est plus dominé par des particules rigides. "Ce comportement contredit toutes les règles classiques de mélange", souligne Holger Steeb. "Pour mieux comprendre cette réponse mécanique inattendue, le réseau global de particules (réseau de force), y compris les sous-réseaux de verre et de caoutchouc, a été analysé."
Ce n'est plus un matériau solide classique
Les chercheurs ont réussi à évaluer la morphologie en combinant les examens par ultrasons et la caractérisation par imagerie tomographique à rayons X (XRCT). Les images radiographiques ont montré que la rigidité effective plus élevée des garnitures avec des fractions de caoutchouc allant jusqu'à 20 pour cent peut s'expliquer par la longueur des chaînes de force des particules de verre. "En même temps, le réseau de particules de verre se trouve dans un état dit "bloqué" avec un nombre de coordination élevé. Si la fraction volumique des sphères de caoutchouc dépasse 30 pour cent, les chaînes de force sont constituées de contacts mixtes entre les sphères de verre et de caoutchouc, qui sont beaucoup plus souples. "
En outre, l'évaluation des voisinages locaux des sphères a montré que le nombre de coordination, c'est-à-dire le nombre de sphères voisines du même type, devient significativement plus petit à ces fractions de volume plus élevées. "À cette fraction de volume, aucune des deux phases sphériques ne se trouve dans un état de blocage et le comportement effectif du matériau n'est donc pas comparable à celui d'un solide classique", conclut Holger Steeb. Les scientifiques voient dans le développement de cette recherche un potentiel pratique important pour l'industrie du bâtiment. Par exemple, dans les zones sujettes aux tremblements de terre, les propriétés de rigidité et d'amortissement des sols pourraient être ajustées grâce à des mélanges composites spécifiques de ballast et de caoutchouc. L'amplitude et la vitesse des ondes sismiques pourraient être manipulées de manière ciblée. Les bâtiments pourraient être protégés de ces dangers de manière efficace et rentable.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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