Laboratoire de rhéométrie

Objectifs scientifiques

Le laboratoire de rhéométrie permet d'étudier la rhéologie des fluides complexes en jeu dans les écoulements gravitaires rapides, c'est-à-dire la relation liant les contraintes appliquées sur le matériau aux déformations et taux de déformation.

Rhéomètre de laboratoire

Il existe deux grandes familles de rhéomètres : les rhéomètres à contrainte contrôlée, dans lesquels on impose les contraintes et on mesure les taux de déformation résultants, et les rhéomètres à vitesse contrôlée, dans lesquels on impose la vitesse de déformation et on mesure les contraintes résultantes.
Dans l’unité, nous disposons de deux rhéomètres de laboratoire :

• un rhéomètre plan-plan Haake PK 100 à vitesse de rotation imposée (30 niveaux de vitesse possibles de 0,005 rad.s-1 à 52,3 rad.s-1),
• un rhéomètre digital Bohlin C-VOR adiabatique pouvant fonctionner, au choix, à vitesse ou à contrainte contrôlées. Différentes configurations d’outils sont possibles (plan-plan, cône-plan, cylindres concentriques, scissomètre,…) (figure 1).

Ces rhéomètres permettent de caractériser finement le comportement de matériaux modèles (fluides visqueux, fluides à seuil, matériaux granulaires,…). Dans le cas de matériaux naturels, ils sont limités par la taille maximale des éléments que l’on peut tester (500 mm typiquement). La validité des mesures de laboratoire doit donc être systématiquement discutée au moment de passer à l’échelle du terrain, à l'aide notamment d'expériences de rhéométrie à grande échelle.

Rhéomètre de terrain

Les écoulements naturels (laves torrentielles, avalanches de neige, etc.) contiennent des éléments grossiers tels qu’il n’est pas possible de tester directement ces fluides à l’aide de rhéomètres de laboratoire. Un rhéomètre de grande taille a été développé au Cemagref afin de réaliser, à plus grande échelle, les mêmes écoulements viscosimétriques bien contrôlés qu’au laboratoire. Ceci permet d’approcher plus précisément la loi de comportement des fluides naturels, même si la taille maximale des particules que l’on peut tester (2 mm) reste encore bien inférieure à la taille des blocs présents dans les écoulements naturels. Le rhéomètre est constitué de cylindres coaxiaux (dispositif de Couette). Le cylindre intérieur est entraîné en rotation alors que le cylindre extérieur est maintenu fixe. L’intervalle séparant les cylindres est de 20 cm. Pour éviter les glissements à la paroi intérieure, une surface rugueuse a été placée sur toute la surface du cylindre. La vitesse de rotation varie de 0.01 à 1000 s-1. Initialement conçu pour étudier les boues torrentielles, ce rhéomètre a été modifié dans le cadre du projet européen SATSIE pour être utilisé sur la neige : un vérin pneumatique a été installé sur la périphérie du cylindre extérieur pour contraindre le matériau neige sur le cylindre intérieur et éviter ainsi un décollement de la surface de cisaillement lors de la rotation du cylindre. Les mesures de vitesse de rotation et de contraintes de cisaillement sont synchronisées.

Programme en cours

Projet LAHARISK (ANR Risknat) : étude du comportement rhéologique et hydraulique des lahars (laves torrentielles survenant en contexte volcanique).

Projet SISCA (ANR Risknat) : étude des propriétés de fluidification des argiles du Trièves.

Collaborations

• Laboratoire de rhéologie de Grenoble
• CPC (LMSGC)
• ISTERRE (Grenoble)
• Laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand

Publications

P. Coussot. Mudflow rheology and dynamics. Balkema, Rotterdam, NLD, 1997. 255 p.

G. Chambon, A. Ghemmour, D. Laigle. Gravity-driven surges of a viscoplastic fluid: an experimental study, J. Non-Newt. Fluid Mech., 158, 54-62, 2009.

C. Dumaisnil, J.-C. Thouret, G. Chambon, E. E. Doyle, S. J. Cronin. Hydraulic, physical and rheological characteristics of rain-triggered lahars at Semeru volcano, Indonesia, Earth Surf. Land. Proc., 35, 1573-1590, 2010.

G. Mainsant, D. Jongmans, E. Larose, L. Baillet, G. Chambon, G. Bièvre. The solid-to-fluid transition in the Trièves clay : the lessons from rheometric and seismic tests. Proceedings of the International Conference Mountain Risks: Bringing Science to Society, 2010.

Contacts

Dr Guillaume Chambon

Tél : +33 4 76 76 27 66 - Fax : 04 76 51 38 03
2 rue de la papeterie BP 76 38402 Saint Martin d'Hères Cedex
guillaume.chambon@irstea.fr
Spécialités : Mécanique des fluides, rhéologie, physique des fluides complexes

Dr Naaim Mohamed (HDR)

Animateur du TR Rivage
Tél : +33 4 76 76 28 13 - Fax : 04 76 51 38 03
2 rue de la papeterie BP 76 38402 Saint Martin d'Hères Cedex
mohamed.naaim@irstea.fr
Spécialités : Mécanique des fluides, Mathématiques appliquées