Water Transfers in Sub-Micron Porous Media during Drying and Imbibition Transferts d'eau en milieux nano-poreux durant le séchage et l'imbibition

Résumé : Le séchage et l’imbibition sont des phénomènes physiques indispensables, de nos jours, à la formulation de nombreux matériaux en milieu industriel. Ces phénomènes, comme on peut l’observer avec l’apparition de fissures lors du séchage d’une peinture fraichement appliquée, peuvent affecter de manière irréversible l’aspect, l’intégrité ou la durabilité du matériau concerné. De plus, dans l’industrie, la connaissance des mécanismes physiques mis en jeu lors de ces étapes de séchage ou d’imbibition reste fréquemment empirique, conduisant à de fortes consommations d’énergie. La compréhension fondamentale de ces phénomènes représente donc un enjeu industriel majeur.En utilisant des techniques de mesure telles que l’Imagerie à Résonnance Magnétique (IRM) ou la microscopie électronique, nous nous sommes intéressés à la physique des écoulements fluides dans des milieux poreux modèles, déformables ou non-déformables, dont la taille caractéristique des pores varie de l’échelle du millimètre à celle de quelques nanomètres.Le résultat essentiel de ces travaux de thèse est la démonstration que l’évolution de la distribution de liquide dans ces milieux modèles, lors du séchage, provient de la compétition entre deux phénomènes physiques, quelle que soit la taille des pores, et que le matériau fissure ou subisse du retrait. Ces phénomènes physiques sont : le ré-équilibrage capillaire, ayant lieu lors de la substitution de l’eau par l’air dans le milieu poreux, provoquant un écoulement fluide selon la direction du gradient des pressions de Laplace imposé au liquide par l’évaporation, et le développement d’une région sèche apparente depuis la surface libre de l’échantillon.Plus précisément, nous montrons que le phénomène de ré-équilibrage capillaire est permanent lors du séchage et permet de maintenir une saturation homogène dans les régions humides de l’échantillon quel que soit le régime de séchage rencontré ou la taille des pores de cet échantillon. Pour des pores de dimension supérieure à quelques nanomètres, nous montrons que le séchage s’opère en deux étapes : une première période à fort taux de séchage dont la durée décroit avec la réduction de la taille des pores, cette étape est suivie d’une seconde période présentant le développement d’une région sèche depuis la surface de l’échantillon provoquant une chute du taux de séchage. Nous démontrons aussi que les phénomènes de fracturation et de retrait peuvent influer de façon significative sur la durée de cette première période.Quand la taille des pores devient inferieure à quelques nanomètres, nous montrons que l’infime rayon de courbure de l’interface eau-air développant dans les pores du milieu poreux tend à limiter le taux d’évaporation de l’échantillon et entraine sa décroissance progressive au cours du séchage. De manière surprenante, dans ce cas particulier, la distribution d’eau à travers l’échantillon reste homogène tout au long du séchage. Cette dernière observation nous renseigne sur le fonctionnement du mécanisme de ré-équilibrage capillaire dans les nano-pores et montre que les propriétés d’écoulement liquides en milieux confinés diffèrent grandement de celles rencontrées dans des milieux plus grossiers
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Thèse
Geophysics [physics.geo-ph]. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1155〉
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Soumis le : jeudi 20 juillet 2017 - 13:36:06
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Jules Thiery. Water Transfers in Sub-Micron Porous Media during Drying and Imbibition Transferts d'eau en milieux nano-poreux durant le séchage et l'imbibition. Geophysics [physics.geo-ph]. Université Paris-Est, 2016. English. 〈NNT : 2016PESC1155〉. 〈tel-01565895〉

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