Test d’affaissement pour l’estimation du seuil d’écoulement

le test d’affaissement (slump test en anglais) a été initialement développé par Murata [89] dans le but de quantifier la qualité évolutive dans le temps du béton avant prise. Ce test permet de classer les bétons suivant une échelle de fluidité croissante : ferme, plastique, fluide.  Ce test est une version simplifiée de la technique uniaxiale de compression. Baudez et al.  ont emprunté le test d’affaissement dans le but de déterminer la contrainte seuil d’écoulement des boues ayant des siccités entre 5 et 15 % directement sur le site de la station d’épuration. la contrainte seuil déterminée par le test d’affaissement, τଵ, peut être déduite de la hauteur d’affaissement h  Équation 16 Avec H est la hauteur initiale du cylindre, ɏ représente la masse volumique, g la gravité et R le rayon du cylindre (Figure 18). Pour les boues difficiles à mettre en écoulement, une charge de masse m଴ a été ajoutée au-dessus de l’échantillon cylindrique afin de forcer les boues à s’écouler. Il s’agit donc d’une version simplifiée du test de compression uniaxial. la confrontation avec les résultats obtenus par la rhéométrie conventionnelle s’est avérée très satisfaisante.

Bilan sur les techniques utilisées

l’ensemble de ces travaux montre que les techniques de caractérisation rhéologique utilisées sont limitées par l’état physique du matériau. les rhéométries rotationnelle et capillaire ne peuvent être mises en œuvre qu’avec des matériaux qui peuvent s’écouler. En effet, dans le rhéomètre capillaire, les boues pâteuses ne s’écoulent pas à travers le tube, mais glissent et dans le rhéomètre rotatif, les boues se fracturent même à petite déformation de cisaillement. Pour parvenir à réaliser des mesures rhéologiques en écoulement, les boues étaient prétraitées par tamisage et/ou prémalaxage. Cependant, le tamisage change la composition du matériau à étudier et le prémalaxage est susceptible de modifier la microstructure des flocs des boues [29]. Les résultats obtenus ne sont alors plus représentatifs du matériau initial. De plus, pour éviter l’étape de prétraitement des boues, les mesures étaient limitées à très faibles déformations [7,60,87]. En pratique, puisque la boue est mise en mouvement dans les sécheurs agités, ce sont essentiellement les caractéristiques d’écoulement qui retiennent notre attention. les mesures obtenues à très faibles déformations peuvent caractériser le comportement rhéologique des boues au repos, par exemple, pour expliquer le comportement des boues pendant le stockage, pour étudier l’influence du temps de vieillissement et de la floculation, etc. Néanmoins, l’exploitation de ces informations pour prédire un comportement en séchage ou des propriétés d’écoulement, semble extrêmement limitée. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles techniques ou procédures pour corriger l’impact des fractures sur une large gamme de déformations pour comprendre le comportement des boues pâteuses en écoulement dans le sécheur. 

Influence de la siccité sur les caractéristiques rhéologiques

La littérature montre que les paramètres de type solide d’une boue (la contrainte seuil τ୷, la consistance k et les modules viscoélastiques G’ et G’’) suivent une loi de puissance [7,31,57,64] avec la siccité, tandis que les paramètres de type liquide (viscosité infinie µ) suivent une relation exponentielle [31,57] : τ୷ = AሺSi − Si଴ሻ ୬ Équation 17 µ = µ଴expሺβ ∙ Siሻ Équation 18 Où µ଴ est la viscosité du milieu liquide. A, β et n sont des paramètres des modèles. Si଴ est la concentration critique associée à l’existence d’une structure solide. C’est également la concentration à partir de laquelle la matière solide est en quantité suffisante pour permettre l’élaboration d’un réseau de particules en percolation tel que la boue ne sédimente pas. la valeur de Si଴ varie d’une étude à une autre selon la composition de la boue mais elle est généralement comprise entre 1 et 3 % de siccité [54,57,64,91,92]. l’équation 17 est souvent utilisée dans les suspensions colloidales. l’exposant n est relié à la dimension fractale de flocs [91,93,94]. Plus l’exposant est petit, plus la structure comporte des espaces vides [95]. Cette approche est tout à fait en accord avec les résultats de Baudez [91] qui a montré que l’exposant fractal pour une boue minérale est plus grand que celui d’une boue organique (la boue organique contient plus de matière organique que la boue minérale). En effet, la boue organique contient plus de macromolécules (lipides, fibres, protéines, amidon, …) que la boue minérale et donc a une plus grande porosité (espaces vides) [91]. le modèle de loi de puissance a été utilisé pour décrire l’évolution des paramètres rhéologiques de type solide pour des siccité de 2 à 27 % .