Daniel R. Neuville

Physique des Minéraux et MagmasCNRS-IPGP

Viscosité…?

La Viscosité c’estquoi ?Ça varie comment? …

Neuville, 2006

101001000

La viscosité : une échelle logarithmique…..??

Neuville, 2006

Ordre de grandeur de la viscosité ?entre 1 et 1015 poise

10

100

1000

Neuville, 2006

Les pointscaractéristiques …

Pour faciliter la vie des maîtres verriers, dés le XIXe

siècles, on définit sur une courbe de viscosité despoints fixes caractéristiques qui correspondent àdifférent modes d’écoulement ou de travail duverre/liquide.

Neuville, 2006

1

3

5

7

9

11

13

15

6 8 10 12 14 16

Vis

cosi

té (

log P

a/s

)

104/T (K)

BNC

RecuissonTg

T de ramolissementdilatométrique

T deLittleton

TTécoulementécoulement

T travail

T fusion

SoufflageCouléeMoulageEtirageFusionAffinage

9771396 727 560 441 T°C

Neuville, 2006

Nous avons vu que la viscosité varie considérablement avec lacomposition chimique du verre/liquide et de la température. Afinde la mesurer dans toute la gamme de variation, il faut disposerde plusieurs appareils:

- une machine de fluage pour travailler sur lesviscosités élevées et à basse température,

- un dispositif de Couette, pour les faiblesviscosités et à haute température.

Les mesures deviscosité …

Neuville, 2006

1

3

5

7

9

11

13

15

5 6 7 8 9 10 11 12 13

104/T (K-1)

Vis

co

sity

(lo

g P

ois

e)

Propriétés rhéologiques : viscosité

À basse température, le liquide est rigide : on utilise une machine de fluage

À haute température, le liquide coule : on utilise un dispositif de Couette

10101313 Poise = 10 Poise = 101212 PaPa s s ⇒⇒transition vitreusetransition vitreuse

Neuville, 2006

1

3

5

7

9

11

13

15

5 6 7 8 9 10 11 12 13

104/T (K-1)

Vis

co

sity

(lo

g P

ois

e)

dispositif de Couette

Haute température

Basse température

machine de fluage

!

"= #3 ˙ $

Mesure des viscosités

Neuville, 2006

A basse température (300-1100°C), on utilise une machine de fluage ce qui permetde mesurer des viscosités entre 108 et 1015 Poises.

Principe : Une masse m est appliquéesur une balance qui transmet à unpiston vertical une force F. Unéchantillon cylindrique de lave est placédans un four à haute température.En connaissant la surface del’échantillon S et la force F, on calculela contrainte σ appliquée surl’échantillon.

!

"= #3 ˙ $

Ensuite on mesure leraccourcissement de l’échantillon aucourt du temps, et on obtient unevitesse de déformation.En fin pour obtenir la viscosité, ilsuffit de diviser la contrainteappliquée par trois fois la vitessedéformation.

mF

La mesure de viscositéfaite est une mesureabsolue !

Neuville, 2006

échantillon

Thermocouples :mesure de latempérature

Capteurs: mesuredu

raccourcissement

Four tubulaire

Barreau d’argent, qui permet d’avoir une bongradient thermique* le long de l’échantillon.* Variation de température le long de l’échantillon

pistons

Neuville, 2006

* Couette

Haute température, on utilise un dispositifde Couette*. On mesure des viscosités entre10 et 106 Poises.Contrairement au dispositif d’écrasement,on est obligé de faire une calibration, avecun verre de viscosité connue.

Principe: On applique au plongeur unevitesse de rotation. Pour imposer cettevitesse de rotation, il faut fournir un couplemécanique et compte-tenu de la géométriedu plongeur et du creuset et de lacalibration effectuée on peut mesurer laviscosité de l’échantillon. On effectue dansce cas une mesure relative de viscosité.

Neuville, 2006

Le silicate fondu est dans le creuset et onapplique un mouvement de rotation auplongeur.Ce dispositif nécessite d’effectuer unecalibration, réalisée en utilisant plusieursverres de viscosités connues.Ci-dessous viscosité obtenue aprèscalibration, on observe une excellentaccord entre la courbe donnée par lebureau des standards et les mesureseffectuées à l’IPGP.

Creuset

Plongeur

Four

Élémentschauffants

Écranthermique

Liquidesilicaté,ou lave Thermocouple

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9

NBS717IPG

Vis

cosi

té (

log P

ois

e)

104/T (K)Neuville, 2006

10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

6 6.5 7 7.5 8 8.5 9

Vis

cosi

té (

log P

ois

e)

Contrainte (log Nm-2)

NBS710Webb and Dingwell T = 838 K

836 K842 K

847 K

853 K

864 K

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 50 100 150 200 250 300

1211.612701168.611171062.81012.49651247.4

Vis

cosi

té (

log

po

ise)

Vitesse (tr/min)

Nécessité de vérifier lecomportement newtoniendu liquideCela veut dire ?1) Viscosité = constanteavec la contrainte

2) Viscosité =constante avec lavitesse de déformation

Neuville, 2006

0

2

4

6

8

10

12

14

5 6.6 8.2 9.8 11.4 13

NBS710

Neuville

104/T (K-1)

Vis

cosi

té (

log

Po

ise)

Bassetempérature

Hautetempérature

Mesure de viscositéobtenue à l’IPGP surun verre de référencedu bureau nationaldes standards.On voit clairement unexcellent accord entreles mesures obtenuesavec nos dispositifset les valeurs deréférences.La précision et lareproductibilité desmesures est de ±0.03

Neuville, 2006

Comprendre la viscosité des magmas ?Deux possibilités :

- étudier toutes les laves volcaniques disponibles à lasurface terrestre, faire des catalogues de viscosité…. Mais commentconnaître la viscosité d’une lave ou d’un magma dans l’intérieur dela terre, ou sur une autre planète ?

- nous avons opter pour une autre approche : nous étudionsles propriétés, viscosité par exemple, de systèmes chimiquessimples et nous obtenons des résultats extrapolables à dessystèmes plus complexes. En effectuant des études sur dessystèmes simples et naturels, il est possible de comprendre lesmécanismes qui contrôlent les propriétés et la structure d’unmagma, d’une lave volcanique ou d’un verre industriel. Cesparamètres sont directement extrapolables à des systèmes nonaccessibles, tels que les magmas à grande profondeur ou des lavesextraterrestres. C’est l’approche que nous avons choisi dedévelopper. Dans la suite de la présentation, nous allons vousprésenter les éléments qui contrôlent la viscosité.

Neuville, 2006