Force de cohésion

La cohésion désigne la résistance interne d'un matériau à la séparation ou à l'attraction sous l'effet de forces internes. Elle résulte des forces d'attraction entre particules, molécules ou atomes similaires d'une même substance (telles que les liaisons intermoléculaires, les liaisons hydrogène ou les liaisons métalliques). Cette propriété diffère de l'adhérence, qui décrit la liaison entre différents matériaux ou surfaces.

La force de cohésion joue un rôle essentiel en physique, en chimie, en science des matériaux, en géotechnique, en sciences alimentaires et en technologie des adhésifs. Ses principales applications sont les suivantes :

• Dans les liquides et les phénomènes de surface : la force de cohésion (ou force de cohésion) décrit les forces d’attraction entre les molécules d’une même substance. Elle est responsable de phénomènes tels que :
• Tension superficielle : Permet aux insectes de marcher sur l'eau ou aux gouttelettes de prendre des formes sphériques.
• La tendance des liquides à s'agglomérer plutôt qu'à s'étaler.

Par exemple, l'eau possède une forte cohésion grâce à ses liaisons hydrogène, ce qui explique que la pluie tombe sous forme de gouttelettes plutôt que de brume. Lorsque les forces de cohésion prédominent sur les forces d'adhésion (attraction vers une autre surface), les liquides forment des perles au lieu de mouiller la surface. Ce phénomène diffère de l'adhésion, où les molécules de substances différentes s'attirent mutuellement.

• Matériaux solides et mécanique de la rupture (science des matériaux) : Dans les solides, la cohésion représente la contrainte maximale théorique nécessaire pour séparer les plans atomiques ou rompre les liaisons internes en l’absence de défauts. Il s’agit de la résistance idéale, basée sur les forces interatomiques. Dans la réalité, les matériaux se rompent souvent sous des contraintes bien inférieures en raison de défauts (fissures, dislocations), mais la cohésion théorique fournit une limite supérieure. Pour les métaux, elle est liée à la résistance des liaisons métalliques.

Dans les modèles de rupture (par exemple, les modèles de zone de cohésion), la cohésion apparaît comme un paramètre contrôlant la propagation des fissures dans les matériaux viscoélastiques ou à fluage. Dans les revêtements ou les dépôts (par exemple, la projection à froid), la cohésion mesure les liaisons au sein même de la couche déposée, généralement testées par des essais de traction.

• En génie des sols et géotechnique (mécanique des sols) : la cohésion est une composante de la résistance au cisaillement indépendante des contraintes normales et du frottement. Elle reflète la qualité de l’adhérence des particules de sol entre elles, due à :
• forces électrostatiques
• Liaisons hydrogène dans les minéraux argileux
• Cimentation
• Effets de l'humidité

Les sols cohésifs (par exemple, les argiles) présentent une cohésion importante. Les sols non cohésifs (par exemple, les sables propres, les graviers) n'ont aucune cohésion et résistent principalement au frottement. La cohésion permet aux sols argileux de rester stables (temporairement) lors des excavations ou de résister au glissement/renversement dans les fondations.

• Poudres utilisées dans l'alimentation et les adhésifs :
• Technologie des poudres : La cohésion mesure la résistance d'une poudre à l'écoulement lors de la consolidation (important pour la manutention, le stockage et la transformation).
• Rhéologie/texture des aliments : ce terme désigne la capacité d’un produit alimentaire (gels, pâtes, fromages, etc.) à résister à la déformation ou à la séparation lors de la compression ou de la mastication. Elle est mesurée par l’analyse du profil de texture.
• Adhésifs sensibles à la pression : Leur forte cohésion empêche l’adhésif de couler ou de laisser des résidus (résistance interne de la couche adhésive). Évaluée par des essais de fluage/glissement.

Une résistance cohésive plus élevée signifie que le matériau cède ailleurs avant de se rompre de l'intérieur.

En conclusion, la cohésion mesure essentiellement la capacité d'éléments similaires à rester ensemble. Sa valeur et son importance varient selon le contexte.

• Liquides : Tension superficielle et formation de gouttelettes
• Solides : limite de rupture théorique et liaisons internes
• Sols : Résistance au glissement sans frottement.
• Poudres, adhésifs, produits alimentaires : fluidité, texture et stabilité.

La compréhension des forces de cohésion aide les ingénieurs à concevoir des structures stables, à optimiser le traitement des matériaux, à formuler de meilleurs produits et à expliquer des phénomènes quotidiens comme la présence de gouttelettes d'eau sur une voiture polie.

Les méthodes d'essai utilisées pour mesurer la résistance d'adhérence varient selon le matériau ou l'agent de liaison (sols, adhésifs, revêtements, poudres, aliments ou autres substances solides/liquides). La résistance d'adhérence mesure généralement les liaisons internes au sein d'un même matériau ou la résistance à la séparation et est généralement déterminée par des essais de rupture mécanique, la rupture se produisant par adhérence interne plutôt qu'à l'interface.

Les méthodes de test mises en œuvre dans ce cadre sont les suivantes :

• Génie des sols et géotechnique (cohésion en cisaillement) : La résistance cohésive des sols (en particulier des argiles) est la résistance au cisaillement indépendante de la contrainte normale et est généralement estimée approximativement à partir d'essais non drainés.
• Essai de résistance à la compression illimitée : Il s’agit de la méthode la plus courante et la plus simple pour les sols cohérents. Un échantillon de sol cylindrique (intact ou remodelé) est comprimé axialement sans contrainte latérale et testé jusqu’à rupture. La norme ASTM D2166 est appliquée.
• Essais de compression triaxiale (non consolidée-non drainée ou consolidée-non drainée) : l’éprouvette est soumise à une compression limite et à une charge axiale. Elle satisfait aux paramètres de résistance au cisaillement (c et φ). Les normes ASTM D2850 et ASTM D4767 sont respectées.
• Essai de cisaillement direct : le sol est soumis à un cisaillement selon un plan prédéterminé sous charge normale. La courbe de plasticité donne l’ordonnée à l’origine de la cohésion. La norme ASTM D3080 est appliquée.
• Essai de cisaillement à ailettes : une ailette à quatre ailettes est placée dans un sol mou et cohésif et mise en rotation pour mesurer la résistance au cisaillement non drainé. Cet essai est conforme à la norme ASTM D8121.
• Adhésifs, revêtements et adhésifs sensibles à la pression : la résistance à la cohésion est la résistance interne de la couche adhésive (la différence entre la rupture à l’intérieur de l’adhésif et la rupture à l’interface).
• Essais de résistance au cisaillement/fluage/maintien : Mesure la résistance au cisaillement continu (par exemple, cisaillement par chevauchement ou poids suspendu statique).
• Analyse rhéologique/mécanique dynamique : les essais de cisaillement oscillatoire mesurent le module de conservation. Les essais de fluage évaluent directement la cohésion.
• Tests de relaxation de traction ou de rétention de force : des méthodes spécialisées (par exemple, analyseur de tissus) mesurent la diminution de la force au fil du temps pour calculer la résistance cohésive.
• Essais de développement de la cohésion (par exemple, pour les adhésifs pour bois) : la formation rapide de la liaison est évaluée dans des conditions contrôlées (sec/humide). La norme ASTM D7998 est respectée.
• Essais de traction/thermiques (pour revêtements/projections thermiques) : Un moule collé au revêtement est soumis à une traction perpendiculaire. Une rupture cohésive se produit au sein du revêtement. Les normes ASTM C633 et ASTM D4541 sont appliquées.
• Poudres et matériaux granulaires : La force de cohésion mesure l’attraction interparticulaire qui résiste à l’écoulement (important pour la manutention et les silos).
• Essai de coupe : La poudre est consolidée sous contrainte normale, puis soumise à une opération de coupe. La norme ASTM D6128 est respectée.
• Mesures de rhéologie/énergie d'écoulement des poudres : une lame rotative traversant un lit de poudre mesure l'énergie d'écoulement.
• Aliments, gels et semi-solides (analyse de texture) : La cohésion est généralement obtenue à partir de l'analyse du profil de texture.
• Tests de compression/réextrusion/sonde cylindrique : l’échantillon est comprimé ou extrudé, et le rapport des forces détermine la cohésion. On utilise également des méthodes de chute de poids, de dispersion dans l’eau ou de corrélation sensorielle.
• Sondes d'analyse tissulaire (par exemple, plaques sphériques ou de compression) : Mesurent la force qui provoque la fracture intrinsèque.

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