Un certain nombre de techniques expérimentales ont déjà été décrites à la fin du chapitre 6 , i.e. § 6.4. Ces techniques avaient pour but d'apprécier la « coulabilité » d'un matériau granulaire. Elles cherchaient donc toutes à apprécier les qualités mécaniques du matériau ; ainsi, on peut chercher à relier les grandeurs qu'elles mesurent aux caractéristiques mécaniques mesurer par un triaxial. Nous avons vu en particulier que ces techniques mesurent essentiellement les volumes spécifiques maximum et minimum du milieu.
Dans cet appendice, nous décrivons brièvement d'autres techniques expérimentales, couramment utilisées dans l'industrie, sur le terrain ou au laboratoire pour caractériser d'autres caractéristiques physiques des matériaux granulaires.
A2.1. distribution granulométrique :
Elle se détermine par tamisage pour les grains supérieur à 40mm et par sédimentologie pour les tailles inférieures. On la caractérise par le rapport d60/d10 des diamètres des mailles du tamis qui laissent passer respectivement 60% et 10% en masse des grains.
On peut aussi utiliser un granulomètre laser qui mesure par diffraction la taille des grains.
A2.2. nature chimique
La nature chimique des matériaux en présence influence nettement les propriétés mécaniques. Par exemple, on constate très souvent qu'un milieu granulaire est caractérisé par les mêmes valeur du frottement solide qu'il soit sec ou saturé d'eau. Ceci ne peut s'expliquer qu'en considérant que le milieu "sec" est la plupart du temps déjà recouvert d'une couche moléculaire d'eau qui a modifié les qualités de frottement de la surface.
A2. 3. essais mécaniques :
Essai triaxial, essai oedométrique, boîte de cisaillement, boîte de cisaillement annulaire, boîte de cisaillement homogène, pénétromètre, pénétromètre dynamique, pressiomètre…
A2.4. influence de l'eau :
Un milieu granulaire naturel contient toujours une certaine quantité d'eau condensée dans ses pores. C'est donc en général un milieu triphasique grain-eau-air.
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Lorsque l'eau est en très faible quantité, elle ne recouvre pas la totalité de la surface. De plus la rugosité de cette dernière empêche la migration de l'eau et confine l'eau à certains endroits, empêchant cette dernière d'atteindre les contacts; le milieu semble donc sec avec des forces capillaires quasi nulles. Cependant, lorsque la proportion d'eau est augmentée, les “puits” rugueux de la surface des grains sont saturés en eau et l'eau excédentaire peut migrer venant mouiller les points de contacts. Des forces capillaires sont développées au sein du matériau.
Si l'on augmente encore la proportion d'eau, certains des pores du milieu granulaire sont saturés d'eau, d'autres partiellement de telle sorte que les milieux gazeux et liquide peuvent être tous les deux percolants et les pores le siège de courants. Pour décrire la mécanique d'un tel système, il sera nécessaire d'introduire trois phases différentes avec des mécaniques couplées. Outre le tenseur des contraintes granulaires, il faudra introduire la pression de l'eau uw et du gaz ug, ainsi que les deux lois d'écoulement et les équations de conservation de la matière.
Toujours est-il qu'il s'avère souvent important de mesurer la teneur en eau d'un matériau. Pour cela, il existe trois méthodes principales :
A2.4.1 Pycnomètre :
Un pycnomètre est petit récipient en verre de volume et de poids calibrés qu'on remplit de sable. On pèse le tout, puis on pompe et on le passe à l'étuve ; une dernière pesée permet de connaître la masse δm d'eau évaporée . On tire ainsi des trois pesées la masse du sable, la masse d'eau, la teneur en eau,…. C'est une méthode simple, facile d'emploi et fiable, qui ne peut pas être automatisée.
A2.4.2 Mesure capacitive de la teneur en eau :
Le principe est de mesurer la capacité d'un condensateur de géométrie donnée et contenant le sable à étudier. En effet, l'eau est un matériau de forte permittivité électrique, grandeur qui affecte la valeur C du condensateur. En théorie, C devrait être proportionnelle à la teneur en eau. Dans la pratique, il faut étalonner la mesure en fonction du sable et de sa densité ; il faut aussi travailler à 50kHz pour éviter les problèmes de polarisation du matériau.
La mesure de résistance électrique est moins précise à cause des problèmes de polarisation.
A2.4.3. psychromètre
Un psychromètre est un double thermocouple, l'un travaille à température ambiante, dans le sable. L'autre est aussi placé dans le sable, mais il est d'abord refroidi par effet Pelletier pour qu'une fine pellicule d'eau se condense dessus (l'épaisseur de la couche est de quelques nm) . On mesure ensuite la température d'équilibre lors de l'évaporation de l'eau et on en déduit la pression de vapeur saturante.
Dans la pratique, il est nécessaire d'étalonner soigneusement l'appareil.
Si l'ambiance est très sèche, il existe des psychromètres plus précis qui fonctionnent avec des transistors.
p g
On peut chercher à mesurer la porosité du matériau par la porosimétrie à mercure ou à He, ou l'absorption des rayons γ, à mesurer la surface spécifique « des grains » par des mesures d'isotherme d'adsorption. On peut aussi mesurer la perméabilité du matériau à l'eau en mesurant le rapport entre le débit traversant une section du matériau et le gradient de pression qui lui est appliqué. On peut aussi mesurer des vitesses de diffusion de molécules d'eau grâce à l'IRM.
Enfin, il existe des techniques de visualisation 3-d (scaner, IRM) ce qui permet de visualiser les localisations des déformations.
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