Ségrégation en milieu granulaire
La ségrégation en milieu granulaire est un cas de ségrégation d'éléments dans un système granulaire (poudre, grains, billes, cailloux, etc., ou les amas des petits objets dans leur ensemble). Ces principes, complexes s'applique à de nombreux domaines (écoulement de grains (comme dans un silo), géophysique (déplacement des dunes de sable, agriculture (les pierres qui remontent continuellement en surface dans les champs), conceptions de matériaux basés sur des éléments granulaires, tels que le sable dans le béton, mais aussi la disposition de grains, fruits et légumes dans des étales, ou encore en astrophysiques, comme l'étude de déplacements de régolithes sur un astéroïde)[1]. Ces ségrégations sont liés à un ensemble de caractéristiques physiques des grains, taille, densité, formes viscosité, etc., et différents phénomènes dynamiques, tels que gravité, frottements, vibrations ou capillarité, etc., et sont différent selon les situations.
Généralités
Lorsque des grains de différentes tailles sont présentes dans un système granulaire et que celui-ci est soumis à un cisaillement suffisamment rapide, ou suffisamment long, les grains de grandes taille remontent à la surface[2]. L'expérience peut-être faite en plongeant une pierre dans un sceau rempli de sable et en le secouant[3]. On parle alors de convection granulaire, connu également sous le nom d'« effet noix du Brésil ».
Dans un tambour en rotation, les petits grains vont permettre aux gros grains de s'écouler facilement, et au contraire, les gros grains vont ralentir l'écoulement des petits grains. Lorsque la rotation du tambour est lente, les grains se séparent formant une étoile relativement nette entre les deux tailles de grains, tandis que quand la rotation est très rapide, le mélange devient homogène[4].
La ségrégation du béton
Dans le génie civil, la ségrégation en milieu granulaire, plus communément appelée ségrégation du béton, est un terme utilisé lors de la réalisation d'éléments en béton qui désigne un défaut de mise en œuvre.
Causes
Si le béton est trop vibré lors de sa mise en œuvre ou trop liquide (trop d'eau dans la formulation), les agrégats de diamètres les plus importants ont tendance à couler et ceux de faibles diamètres à remonter si tous les granulats sont de même densité. Dans ce cas, c'est l'action combinée de la gravité et de la vibration qui engendre la séparation.
Conséquences
Outre l'aspect esthétique extérieur, elle affecte la solidité des ouvrages en causant des problèmes de résistance et de porosité[5].
Selon l'étendue et le volume de la ségrégation, des reprises doivent être effectuées pour réparer la partie en cause. Il peut être nécessaire d'enrober les parties en cause à l'aide de mortier, de résines spécifiques ou de béton minéral.
Dans les cas les plus importants, la destruction de l'ouvrage est nécessaire.
Généralisation
En généralisant à un milieu granulaire quelconque, le phénomène est plus complexe puisque lors de la vibration, ce seront tantôt les particules de grand diamètre puis celles de faible diamètre qui se retrouveront sur le dessus suivant l'énergie et le type de vibration mise en jeu.
Ce phénomène est bien connu des industriels qui doivent jouer des ruses pour obtenir un mélange homogène lors de l'empaquetage des céréales pour le petit déjeuner par exemple. Cet effet se nomme « Brazil-nut effect[6] » (= « effet noix du Brésil ») dans les pays anglo-saxons puisque la légende raconte que l'effet fut mis au jour lors du transport de noix du Brésil par camion sur des routes cabossées où les noix arrivaient triées par tailles dans les bennes en raison des vibrations subies lors du transport[7].
Cas des astéroïdes
Selon une étude de Viranga Perera et ses collaborateurs publiée en août 2016[8], l'effet noix du Brésil pourrait expliquer la présence de gros blocs rocheux à la surface des astéroïdes de taille moyenne (~150 m à 10 km), que l'on pense être des piles de débris. Selon cette étude, cet effet a bien lieu en surface, mais même avec des vibrations importantes, la partie centrale des astéroïdes resterait bien mélangée. Parmi les deux processus principaux engendrant l'effet noix du Brésil, la percolation semble ici dominer alors que la convection granulaire semble avoir une importance moindre.
Annexes
Références
- Renayd Delannay, « Les milieux granulaires : un exemple de système complexe », sur ENS-Rennes
- Starona et Phillips 2013, p. 1.
- Roland Cros, « Est-il possible de faire pousser des cailloux dans le sable ? », sur Univers Science,
- « Ségrégation granulaire. Pourquoi les grains n'aiment-ils pas se mélanger ? », sur Institut de physique de Rennes
- https://www.genmaison.com/segregation-du-beton-types-et-causes
- (en) [vidéo] « Brazil Nut Effect - Sixty Symbols » sur YouTube.
- (en) A. Rosato, K.J. Strandburg, F. Prinz, R.H. Swendsen, « Why the Brazil nuts are on top: size segregation of particulate matter by shaking », Phys Rev Lett., vol. 58, no 10, , p. 1038-1040 (DOI 10.1103/PhysRevLett.58.1038).
- (en) Viranga Perera, Alan P. Jackson, Erik Asphaug et Ronald-Louis Ballouz, « The Spherical Brazil Nut Effect and its Significance to Asteroids » [« L'effet noix du Brésil sphérique et son importance dans le cas des astéroïdes »], arXiv, no 1608:05191, (lire en ligne, consulté le )
Bibliographie
- L. Staron et C.J. Philips, « Ségrégation par taille de grains dans les écoulements granulaires: temps caractéristiques, mobilité », Congrès Français de Mécanique, Bordeaux, vol. 21, , p. 1-6 (lire en ligne)
- Sébastien Nadler, Comportement d’un milieu granulaire soumis à desvibrations horizontales: Etudes numériques etexpérimentales, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, (lire en ligne)
- Pierre Evesque, « Quelques Aspects de la Dynamique des Milieux Granulaires », dans La dynamique des milieux granulaires, UMS 8579 CNRS, École centrale Paris (lire en ligne)
Articles connexes
lien externe
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