Autres billes

Nous avons fait quelques expériences en changeant la nature du milieu granulaire.

Poudre d’acier inoxydable

Dans un premier temps, nous avons utilisé de la poudre d’acier inoxydable de taille maximale 150 mi-cromètres achetée chez Goodfellow. Cette poudre est annoncée comme nocive et explosive par le vendeur. Néanmoins, nous avons placé cette poudre en présence d’une atmosphère humide stabilisée par une solution saturée de bromure de sodium. Ces expériences ont donc été faites à T = 30^◦C et à une humidité relative de 56%.

La première évidence expérimentale est que l’angle d’avalanche d’un tel matériau est beaucoup plus grand que l’angle d’avalanche des billes de verre précédemment utilisées. La première conséquence est qu’avec cette poudre, les avalanches ne se produisent plus sur la surface du tas mais qu’on observe un glissement de l’ensemble du tas au delà d’un angle seuil. Nous avons donc recouvert la surface intérieure du cylindre par du papier abrasif afin de limiter cet effet. Après cette transformation du cylindre, on n’a plus observé de glissement en bloc du tas.

L’angle de référence a été choisi égal à 38^◦. Le résultat de cette expérience est reporté sur la figure 2.24 Nous n’avons pas observé de vieillissement de l’angle d’avalanche de la poudre d’acier en présence d’une

FIG. 2.24 – Angle d’avalanche d’une poudre d’inox en présence d’air humide. T = 30^◦C, HR = 56% et

θref = 38^◦.

humidité pourtant assez élevée.

Par ailleurs, nous avons observé, dans ce système un comportement de l’empilement plus fragile qu’avec les billes de verre. Le système se «tasse», et des réarrangements importants se produisent avant qu’il ne s’effondre. Cette fragilité s’est manifestée par plusieurs effondrements «spontanés» suite à des petites vi-brations parasites.

Une autre observation importante est que la poudre d’acier inoxydable utilisée ne semble pas être mouillée par l’eau : de densité plus élevée que l’eau, la poudre flotte à la surface de l’eau comme du cacao.

Poudre de verre

Enfin, des expériences ont été réalisées avec du verre pilé dont les morceaux ont des tailles comprises entre 150 et 300 µm.

FIG. 2.25 – Angle d’avalanche d’une poudre de verre en présence d’air humide. T = 30^◦C, HR = 83.6% et θref = 40^◦.

Nous avons étudié l’évolution de l’angle d’avalanche de ce matériau en fonction du temps de vieillis-sement en présence d’une atmosphère à 83, 6% d’humidité. L’angle de référence a été choisi égal à 33^◦, ce qui est possible car la rugosité du matériau est importante. Nous n’avons pas observé de vieillissement de l’angle d’avalanche en fonction de l’humidité pour des temps de vieillissement compris entre 30 s et 48 heures. Par contre, nous avons observé très nettement des réarrangements importants à l’intérieur du matériau granulaire avant que l’avalanche, c’est à dire un dévallement en surface n’apparaisse. Ces réar-rangements correspondent à des glissements internes sur des distances millimétriques dans le tas, dus à la très grande fragilité de l’empilement des grains rugueux. Ce même type de réarrangements avait déjà été vu précédemment sur la poudre d’inox. Il est clair que des réarrangements à l’intérieur de l’empilement sur des distances supérieures à un micromètre peuvent renouveler les contacts pendant la phase de mesure de l’avalanche, ce qui peut expliquer qu’aucun vieillissement de l’angle d’avalanche ne soit observé en présence d’humidité.

Conclusion

Il n’existe que peu de résultats expérimentaux concernant le comportement mécanique des matériaux granulaires en présence d’humidité. Nous avons montré dans cette étude que, comme le coefficient de friction solide statique, l’angle d’avalanche d’un matériau granulaire augmente avec le temps de repos de ce tas de sable si le tas est placé en présence d’air humide. Cet effet disparaît en présence d’air sec.

Pour permettre d’obtenir des résultats reproductibles, nous avons montré que l’angle de référence au-quel le tas est laissé au repos pendant le temps tw ainsi que l’état d’usure des billes, sont deux paramètre cruciaux qui déterminent le vieillissement. Dans une mesure de l’angle d’avalanche à partir d’une surface

des billes proche de l’horizontale, il apparaît des glissements à l’intérieur du tas qui sont des précurseurs de l’avalanche. De tels précurseurs renouvellent totalement ou partiellement les contacts, ce qui modifie l’effet du vieillissement. Le temps mesuré n’est plus, si il y a des précurseurs, l’âge des contacts. Ce renouvelle-ment des contacts permet aussi de comprendre l’absence de vieillisserenouvelle-ment en présence de poudre de verre. Nous avons montré que le vieillissement de l’angle d’avalanche est plus important pour des billes usées et diminue pour des billes lavées. Ceci peut s’interpréter comme l’effet des petites particules qui modifient les contacts en étant des sites de nucléation possibles pour des ponts liquides ou des objets de composition chimique légèrement différente puisque le verre réagit chimiquement avec l’eau. Ces deux paramètres sont très importants si on cherche à comparer une expérience avec une autre.

Enfin, quelques essais ont été faits avec un système autre que le système billes de verre/vapeur d’eau. Nous avons montré qu’il est possible d’obtenir un vieillissement de l’angle d’avalanche avec des billes de verre et de l’éthanol. L’éthanol ayant une tension de surface plus faible que celle de l’eau, les expériences ont été faites avec des billes plus petites. Avec de l’acier inoxydable, nous n’avons pas observé de vieillissement de l’angle d’avalanche en présence d’humidité. Deux effets peuvent expliquer ce résultat : l’eau ne mouille pas la poudre d’acier inoxydable utilisée et les précurseurs très importants rajeunissent artificiellement le tas au moment de la mesure de l’angle d’avalanche.

Discussion I

Sommaire

3.1 Condensation capillaire et force d’adhésion . . . . 49

3.1.1 La condensation capillaire . . . . 49