Matière en grains 

Qu'est ce que la matière en grains ?

90 % de la surface de la terre est couverte de grains. Le sable en particulier est présent en d’énormes quantités dans les déserts qui couvrent plus de 10 % de la surface émergée de la planète. Pourtant extrèmement commune, la matière en grains recèle de nombreux phénomènes inconnus. Elle est "contre-intuitive" par excellence. mélangeons des sables différents, ils se séparent. Vibrons du sable, il se structure en de magnifiques paysages miniatures. Faisons couler du sable dans l’eau, au lieu de se déliter, il forme une colonne.

Les plages et les fonds marins constituent d’énormes réservoirs naturels de sable. Les sols sont constitués d’un ensemble de grains de tailles diverses (graviers, sables, limons et argiles) provenant de la désagrégation et de l’altération des roches.

C’est donc en toute logique que l’Homme, qui se sert des matériaux locaux à sa disposition, utilise des grains pour construire. On estime qu’au minimum 30 % de la population mondiale vit dans des constructions en terre et 17 % des constructions inscrites sur la liste du patrimoine mondial de l’UNESCO  sont des oeuvres architecturales en terre. Dans de nombreux cas, à des centaines de kilomètres à la ronde, l’Homme ne dispose pas d’autres matériaux. Parfois, il ne dispose même pas de terre. Ainsi, des pans entiers de la grande muraille de Chine sont faits de sable !

A travers une série d'expériences autour de la structure interne de la matière en grains, les expériences ci-dessous font découvrir les problématiques communes entre la terre, le béton de ciment et le château de sable.

 
 SOLIDE, LIQUIDE & GAZ
 

Un matériau granulaire aussi simple que le sable sec présente des comportements liquides et solides : le sable adopte la forme de son contenant, s’écoule comme un liquide mais peut aussi supporter des charges importantes. C’est cette propriété fondamentale de la matière en grains que le bâtisseur exploite pour construire avec la terre et les autres bétons.

Entre un tas de terre humide et le mur en pisé tout juste décoffré, la teneur en eau est identique. Pourtant, c’est à la façon d’un liquide que la terre est versée dans des seaux et transvasée dans le coffrage dont elle adopte la forme, alors que le mur est un solide. Cette propriété de pouvoir figurer tour à tour sous deux états distincts - liquide ou solide - tient avant tout à la nature des bétons : ce sont des grains.

Le tas et le poids Les gouttelettes de poudre
Le tube de poudre Les poudres tassées
 
L'aspirateur et le gant  
 REMPLIR LES VIDES
 

Quel que soit le matériau considéré, un vide constitue toujours une zone de faiblesse et les matériaux de construction sont d'autant plus resistants que leur proportion de vide est faible. La porosité - proportion de vide - dépend en grande partie de la répartition des grains de différentes tailles qui consittuent un matériau granulaire donné. 

Un tas de terre contient plus de 50 % de vide : c’est un matériau meuble, pulvérulent et sans cohésion. Une fois versée dans un coffrage et compactée, cette terre ne contient plus que 30 % de vide : elle se transforme en un matériau solide et cohérent. C’est donc en diminuant la proportion de vides entre les grains que l’on augmente la résistance d’un milieu granulaire.  Les chercheurs connaissent ce principe élémentaire qui leur permet de concevoir des bétons de ciment aussi résistants que l’acier, en diminuant leur porosité à l’extrême.

 

   
   
Empilement de billes 1+1 différent de 2
 LES GRAINS QUI FROTTENT
 

La pente d'un tas de sable dépend des grains qui le constituent : elle varie selon leur taille, leur rugosité, leur forme, leur angularité ou encore leur densité. Elle révèle l’existence de forces de frottements.

Certains paysages sont modelés, structurés par leur pente : la forme conique d’un volcan exhibe une pente parfaitement régulière. Mais le cône de révolution n’est qu’un exemple très particulier des surfaces réglées d’égales pentes. Ces surfaces peuvent définir des volumes beaucoup plus complexes et déboucher sur une grande diversité de formes et de paysages.   Les dunes de sable avec leurs formes longues et sinueuses sont des parfaits exemples de surfaces réglées complexes. Les rides de sable formées sur les dunes sont aussi le fruit de la structuration du sable selon son angle de repos.


   
   
L'angle de repos L'effet volcan
 DES GRAINS QUI NE SE MÉLANGENT PAS
 

Sur un chantier, il est essentiel de mélanger les différents grains qui constituent la terre de manière homogène, afin d'obtenir des matériaux de bonne qualité. Hélas, dès qu'ils sont mis en mouvements, ce mélanges de grains se séparent par catégorie de taille : ils se trient spontanément ! 

Il s’agit du phénomène de ségrégation granulaire, qui pose beaucoup de problèmes aux industries du mélange comme l’industrie pharmaceutique (lors de la fabrication de médicaments, il est nécessaire de mélanger des poudres de tailles et de formes différentes) ou l’industrie du béton (un mauvais mélange des composants du béton – ciment, granulats, adjuvants – a des conséquences sur la tenue mécanique de l’ouvrage). Ce phénomène est courant dans la nature, notamment lors du transport des grains qui sont séparés par certains agents comme le vent ou l’eau pour former différents types de dépôts et de paysages.


Le banc multipiste La bétonnière
Le sapin La ségrégation par vibrations
 LA FORCE DES GRAINS
 

Dans un ensemble de grains,  les efforts se distribuent d’une manière bien particulière : par contact et frottement, les contraintes sont transmises grâce à un réseau de « chaînes de forces ». Dans certains cas, plusieurs grains en contact forment une voûte et abritent de petits espaces vides au sein de la matière. Ils empêchent alors les empilements de se placer dans une configuration plus compacte, et donc de se comprimer. 

Ces phénomènes de chaînes de forces expliquent, en partie, comment construire un pâté de sable supportant le poids d’un homme et, par la même occasion, un bon mur en pisé.Mais la mise en place de voûtes peut avoir des effets néfastes dans de nombreuses applications industrielles. Les matériaux granulaires se trouvent souvent stockés dans des réservoirs (silos) constitués d’une partie supérieure cylindrique et d’une partie inférieure convergente. Lors de la vidange de ce réservoir, il peut se former, au niveau de l’orifice de la partie convergente une véritable voûte qui bloque totalement l’écoulement. Lors du transport en conduite de graviers, de sables ou de grains de blés, les blocages sont fréquents, obligeant les industriels à équiper leurs tuyaux de dispositifs coûteux et compliqués, comme des vis d’Archimède motorisées.


La balance magique Le bâton béton
L'arc de billes Les chaînes de forces
Les manips' des autres matières 
Matière
en grains
Matière
en fibres
Matière
eau
Matière
molle
Matière
liante