Cemented granular materials : modeling and application to wheat endosperm
Matériaux granulaires cimentés : modélisation et application à l'albumen de blé
Résumé
In this work, we investigate cemented granular materials involving a dense particulate structure and a continuous matrix filling partially the interstitial space. The results were applied to the wheat endosperm modelled as an assembly of starch granules embedded in a protein matrix in view of better understanding of the origins of the wheat hardness (soft, hard and durum classes of wheat). The deformation and fracture of the particle and matrix phases and their interface were modelled by means of a lattice element approach. Three regimes of crack propagation were evidenced by a detailed parametric study in simple compression and tension. These regimes are characterized by particle damage as a func- tion of the matrix volume fraction and particle-matrix adhesion. The granular microstructure is shown to control the stress concentration, analyzed through the probability densities of the local stresses, and the rupture modes. The force transmission is found to compare well between the lattice element method and discrete element method. Simple compression tests were performed on samples of a cemented granular material in which the matrix volume fraction (cement) and particle-matrix adhesion (LECA beads coa- ted by silicone) were varied. The experimental results were in good agreement with numerical results. In both cases, we find that particle damage is controlled by the relative toughness of the particle-matrix interface combining the matrix volume fraction and particle-matrix adhesion. A simple theoretical model was elaborated taking into account the structural effects for the prediction of the elastic moduli in tension and compression, as well as the rupture thresholds. When compared to measured data concerning starch damage for different wheat varieties, our results suggest that the starch-protein adherence is dependent on the volume of puroindolines at the interface.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude des matériaux granulaires cimentés composés d'un assemblage dense de particules et d'une matrice remplissant partiellement l'espace entre les particules. Cette étude a été plus particulièrement appliquée au cas de l'albumen de blé, modélisé comme un assemblage de granules d'amidon liés entre eux par une matrice protéique, afin de comprendre les origines physiques de la friabilité (blés hard, soft, durum) des types de blé. Une modélisation numérique basée sur une discrétisation sur réseau a permis de prendre en compte la déformation et la rupture des phases et de leurs interfaces. Nous avons mis en évidence, par une étude paramétrique en compression et en traction simples, trois régimes de rupture caractérisés par l'endommagement des particules en fonc- tion de la fraction volumique de la matrice et de l'adhésion à l'interface entre les particules et la matrice. La microstructure granulaire contrôle la concentration des contraintes, mise en évidence par leurs densités de probabilité, et le mode de fissuration du milieu. Une comparaison a été réalisée avec la méthode des éléments discrets dans le cas de la transmission des forces. Des expériences de compression simple sur un matériau modèle ont permis de valider les résultats numériques. Dans les deux cas, numérique et expérimental, l'endommagement des particules est gouverné par une ténacité relative à l'interface particule-matrice qui combine la fraction volumique de la matrice et l'adhésion à l'interface. Nous avons également élaboré un modèle théorique simple permettant de prendre en compte les effets de structure granulaire pour prédire les seuils de rupture et les modules élastiques en traction et en compression. Le rapprochement entre nos résultats et les données relatives à l'endommagement des granules d'amidon pour différentes variétés de blé suggère que l'adhésion à l'interface entre la matrice protéique et les gra- nules d'amidon est contrôlée par le volume de puroindolines.