Analysis of capillary bridges using imaging techniques and recent analytical model

Boleslaw Mielniczuk (1, 2, 3, 4) , Olivier Millet (3) , Moulay Saïd El Youssoufi (1, 2, 4)

1 LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
2 SIGECO - Structures Innovantes, Géomatériaux, ECOconstruction
3 LaSIE - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement - UMR 7356
4 MIST - Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures

Mechanical properties of non-saturated granular materials are directly connected with capillary interactions, resulting from the presence of water between grains. In this paper, we use the recent analytical model obtained in [GAG 14] to analyze capillary interactions at the scale of liquid bridge between two spherical grains. Geometrical profiles of capillary bridges are obtained resolving Young-Laplace equation, considered as an inverse problem, with unknown capillary pressure. Data of contact angle, half-filling angle and gorge radius, determined experimentally by image processing, allow to calculate all the data associated with capillary bridge (form of bridge profile, Laplace pressure, capillary force). Results of theoretical modeling match very accurately experimental ones at small volumes and/or small separation distances between grains, when influence of gravity is limited. However, for larger liquid volumes and/or larger separation distances between grains the influence of the gravity is manifested as a distortion of capillary bridge. To avoid the gravity influence, experimental tests were realized in micro-gravity conditions (parabolic flight). For these tests, theoretical results are in good agreement with experimental ones, independently of liquid volumes and/or separations distances between grains.

Les propriétés mécaniques des matériaux granulaires non saturés sont directement liées aux interactions capillaires résultant de la présence d’eau entre les grains. Dans ce l’article, le modèle analytique récent obtenu dans [GAG 14] est utilisé pour analyser les interactions capillaires à l’échelle du pont liquide entre deux grains sphériques. Les profils géométriques des ponts capillaires sont obtenus en résolvant l’équation de Young-Laplace considérée comme un problème inverse, la pression capillaire étant inconnue. La donnée de l’angle de remplissage, de l’angle de mouillage et du rayon de gorge, qui sont déterminés expérimentalement par traitement d’image, permet de calculer toutes les données associées au pont capillaire (forme de la méridienne, volume du pont capillaire, force capillaire). Les résultats de la modélisation sont en bon accord avec les résultats expérimentaux dans le cas de petits volumes d’eau et/ou de petites distances entre les grains, où l’influence de la gravité est limitée. En revanche, pour des volumes d’eau plus importants et/ou des distances entre les grains plus grandes, l’influence de la gravité induit une distorsion du pont capillaire. Pour s’affranchir de la gravité, des essais ont été réalisés dans des conditions de micro-gravité (vol parabolique). Pour ces essais, les résultats théoriques et expérimentaux sont en bon accord, indépendamment des volumes de liquide et/ou des distances entre grains.

Mots clés: capillary bridge; Young-Laplace equation; inverse problem; experimental measurement; microgravity

Mots clés: pont capillaire; mesures experimentales; microgravité

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Traitement du signal et de l'image [eess.SP]; Géotechnique

Boleslaw Mielniczuk, Olivier Millet, Moulay Saïd El Youssoufi. Analysis of capillary bridges using imaging techniques and recent analytical model. 35èmes Rencontres Universitaires de Génie Civil, May 2017, Nantes, France. ⟨hal-01674600⟩