Brevet FR2984501A1 — publié le 20130621

Dispositif d'essais biaxiaux pour des matériaux granulaires ou des poudres Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un dispositif d'essai pour des matériaux granulaires d'origine naturelle (sable, gravier, argile, blé, café, etc.) ou issus d'un processus industriel (comprimés pharmaceutiques, billes d'acier ou de verre, granulés alimentaires, etc.). Les essais visés ici sont des essais visant à étudier le comportement d'un échantillon de matériau granulaire, et plus précisément les déformations des grains et de l'assemblage granulaire, déformations dues aux déplacements des grains du matériau granulaire lorsque ce dernier est soumis à une force de pression extérieure. Les déformations sont étudiées dans un plan vertical, selon deux axes, d'où le nom d'essai biaxial. A l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif (VER), qui est l'échelle à laquelle les essais sont réalisés en laboratoire ou en entreprise et qui correspond à un milieu granulaire censé être continu, le comportement du milieu granulaire est en réalité hétérogène : les contraintes et déformations ne sont pas les mêmes en tout point du volume Elémentaire Représentatif. Le comportement local d'un milieu granulaire est ainsi assez mal connu dans le cas où les grains conservent leur intégrité mais encore moins lorsque les grains se rompent. Les rares expériences conduites à ce jour concernent l'étude d'un grain ou de quelques grains mais pas les centaines de milliers ou les millions de grains que peut contenir un Volume Elémentaire Représentatif. Un dispositif connu utilisé pour réaliser de tels essais comprend un caisson cylindrique transparent dans lequel est positionnée une membrane souple contenant l'échantillon de matériau à tester ; un plateau supérieur mobile en translation à l'intérieur du caisson permet d'appliquer une pression verticale au matériau selon un premier axe. Egalement, l'espace entre les parois du caisson et la membrane peut être rempli d'un fluide pour appliquer une pression latérale au matériau. Un moyen de prise d'images associé à un moyen de traitement d'images permet de mesurer les déplacements des grains à l'intérieur de la membrane pendant l'essai. L'inconvénient d'un tel dispositif est le manque de précision des mesures de déplacements effectuées. En effet, pendant les essais, la membrane souple bouge avec les grains de sorte que les moyens de traitement d'image ne peuvent déterminer les mouvements des grains que combinés au mouvement de la membrane. De plus, la membrane est plus ou moins translucide, éventuellement de manière non homogène, et se déforme lorsqu'une pression est appliquée sur ses parois ; les images obtenues sont ainsi plus ou moins floues, ce qui ajoute une imprécision supplémentaire sur les résultats. Le manque de précision d'un tel dispositif ne permet pas d'appréhender un échantillon de milieu granulaire à l'échelle d'un grain. Domaine d'applications envisagées : géotechnique, mécanique des sols, industrie agroalimentaire, industrie pharmaceutique, etc. Description de l'invention L'invention propose un nouveau dispositif d'essai ne présentant pas tout ou partie des inconvénients des dispositifs connus. Plus précisément, l'invention propose un dispositif d'essai comprenant un caisson principal apte à recevoir un matériau granulaire à tester, le caisson principal comprenant une embase sur laquelle sont fixées deux parois longitudinales transparentes rigides et deux parois latérales, le dispositif comprenant également un plateau mobile en translation entre les parois du caisson principal pour appliquer une pression au matériau granulaire selon un premier axe et un moyen pour mesurer un déplacement de grains du matériau granulaire à travers les parois longitudinales du caisson principal. Dans le dispositif selon l'invention, le moyen pour mesurer les déplacements des grains agit à travers les parois longitudinales. Les parois longitudinales sont transparentes et rigides, elles sont par exemple réalisées en un matériau plastique rigide tel que le PMMA (polyméthacrylate de méthyle) ou en saphir. Comme les parois longitudinales sont planes et rigides, elles ne se déforment pas et ne déforment pas l'image des grains vue à travers la paroi. Egalement, les grains n'étant pas enfermés dans une membrane souple, les grains sont mieux visibles, avec une plus grande précision à travers la paroi du caisson. Les déplacements mesurés avec un dispositif selon l'invention sont ainsi plus précis qu'avec un dispositif connu tel que décrit ci-dessus. L'expérience montre qu'il est possible d'obtenir une précision sur les résultats de mesure de déplacement des grains à l'intérieur du matériau granulaire de l'ordre de 0.01 pixel, soit une précision inférieure à 0.1 micromètre ; la précision étant fonction notamment de la résolution du moyen de mesure des déplacements des grains. Selon un mode de réalisation, au moins une paroi latérale est mobile pour appliquer une force de pression selon un deuxième axe. Dans un exemple, le premier axe est sensiblement vertical, et le deuxième axe est sensiblement perpendiculaire au premier axe. Le dispositif ainsi obtenu est ainsi adapté pour appliquer des forces de pressions selon deux axes différents. La paroi latérale mobile peut par exemple comprendre : - un caisson secondaire comprenant deux parois longitudinales, une paroi latérale, le caisson secondaire étant fixé au caisson principal de sorte qu'un intérieur du caisson secondaire communique avec un intérieur du caisson principal, - une membrane fermée et souple, positionnée à l'intérieur du caisson secondaire, et - un moyen pour mettre en pression la membrane souple à l'intérieur du caisson secondaire. La membrane souple est mise en pression par exemple en la remplissant d'un fluide liquide (eau, huile, etc.) ou gazeux. En gonflant la membrane souple, il est ainsi possible appliquer ainsi une force de pression au matériau granulaire selon le deuxième axe. La mise en pression de la membrane souple est contrôlée en fonction de l'intensité souhaitée pour la force de pression dans le matériau granulaire. Les parois longitudinales du caisson principal sont fixées à l'embase pour former le caisson principal. Elles peuvent également être fixées l'une à l'autre à leur extrémité opposées à l'embase par un moyen de renfort. Ceci permet d'éviter un écartement des parois dû à une pression exercée par le matériau sous test contre la paroi. Une face de contact du plateau mobile peut être recouverte d'un matériau limitant les frottements, par exemple une graisse. Ceci limite les frottements des grains en mouvement dans le caisson, et limite donc en conséquence les effets de bord lors de l'étude des déplacements des grains. Le dispositif selon l'invention comprend naturellement un moyen pour remplir le caisson principal d'un matériau granulaire afin de réaliser des essais. Il peut également comprendre un moyen pour remplir le caisson principal d'un fluide ou d'un fluide sous pression. Ceci permet de réaliser des essais sur un matériau soumis à des pressions internes. Il est ainsi possible d'étudier les mouvements du fluide (eau, huile, pétrole, polluant ...) à l'intérieur du milieu granulaire, la capacité du matériau granulaire de rétention du fluide, ou bien les réactions physico-chimiques pouvant se produire lors de l'interaction milieu granulaire / fluide. Le moyen de mesure de déplacement des grains comprend par exemple : - un dispositif de prise d'images, par exemple une caméra, et - un moyen de traitement d'images pour déterminer un déplacement d'au moins un grain ou une déformation d'au moins un grain. La prise d'image est réalisée de préférence avant et pendant un essai. Un tel moyen de mesure permet une analyse particulièrement fine du comportement hydromécanique des grains et de l'assemblage granulaire d'un échantillon de matériau granulaire, y compris pour des matériaux comprenant des grains particulièrement petits, de l'ordre de quelques dix micromètres à plusieurs centimètres. Le dispositif d'essai selon l'invention peut être utilisé pour l'étude d'un déplacement ou d'une déformation d'un assemblage granulaire et / ou d'au moins un grain dans un assemblage granulaire. Le dit assemblage granulaire peut être d'origine naturelle (sable, gravier, argile, blé, café, etc.) ou issu d'un processus industriel (comprimés pharmaceutiques, billes d'acier ou de verre, granulés alimentaires, etc.) ; Le dispositif d'essai selon l'invention peut être utilisé pour des grains de tout diamètre, y compris pour les grains les plus petits : galets, granulats, granulés, poudres, etc. Les dimensions du dispositif sont choisies en fonction du diamètre des grains du matériau granulaire à tester. Le dispositif selon l'invention peut ainsi permettre d'étudier le comportement d'un échantillon de matériau granulaire, à l'échelle de l'échantillon ou à l'échelle d'un grain de l'échantillon. Le dispositif selon l'invention permet d'appliquer une pression à un échantillon de matériau sous test selon un axe ou, dans une version améliorée, selon deux axes. Il permet ainsi l'étude de la résistance et des déformations locales ou globales du matériau en fonction de la pression. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation de dispositifs d'essai selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention - les figures 2a, 2b sont des vues de face d'un caisson principal du dispositif de la figure 1, dans deux configurations différentes - la figure 3 est une vue de dessus d'une embase du caisson de la figure 2, - les figures 4, 5 et 6 sont respectivement une vue de face, une vue de dessus et une vue de gauche du dispositif de la figure 2. Description d'un mode de réalisation de l'invention Comme dit précédemment, un dispositif selon l'invention comprend un caisson principal 10 et un moyen de mesure comprenant un moyen de prise de vue de type caméra 50 associé à un moyen de traitement d'images 60. Le caisson principal comprend une embase 11, deux parois longitudinales 20a, 20b et deux parois latérales 30a, 30b. Dans l'exemple représenté, les parois longitudinales sont réalisées dans des plaques de PMMA (polyméthacrylate de méthyle) de 24 mm d'épaisseur, elles sont ainsi transparentes, rigides et peuvent supporter sans se déformer des pressions allant jusqu'à 100 kPa. Le caisson réalisé a des dimensions de l'ordre de 10 à 30 cm. L'embase 11 comprend deux rainures 12a, 12b de positionnement ; les rainures sont parallèles et ont des dimensions adaptées aux dimensions d'une face de dessous d'une paroi longitudinale. L'embase comprend également une pluralité de trous (non représentés) pour la fixation des parois du caisson 10. Le caisson 10 comprend encore un plateau 40 mobile en translation verticale entre les parois du caisson. Le plateau 40 est réalisé en une plaque de métal ou de PMMA suffisamment épaisse pour ne pas se déformer lorsqu'il est descendu. Le plateau est fixé, éventuellement par l'intermédiaire d'une roture, à un axe 41 d'une presse apte à mettre en mouvement le plateau avec une pression donnée. Le plateau permet ainsi appliquer selon un premier axe (sensiblement vertical) un déplacement uniforme sur toute sa surface à un échantillon de matériau granulaire présent à l'intérieur du caisson 10. Dans l'exemple représenté, les parois latérales 30a, 30b sont des parois mobiles, permettant d'appliquer une force de pression selon un deuxième axe, horizontal et parallèle aux parois longitudinales. Chaque paroi latérale mobile comprend : - un caisson secondaire comprenant deux parois longitudinales 31a, 31b et une paroi latérale 32, toutes trois fixées sur l'embase 11 ; le caisson secondaire est ainsi fixé au caisson principal 10 de sorte qu'un intérieur du caisson secondaire communique avec un intérieur du caisson principal, - une membrane 33 fermée et souple, positionnée à l'intérieur du caisson secondaire ; la membrane est réalisée en un matériau élastique tel que du caoutchouc, et - un moyen (non représenté) pour mettre en pression la membrane souple à l'intérieur du caisson secondaire et appliquer ainsi une force de pression au matériau granulaire selon le deuxième axe. La membrane souple comprend une ouverture latérale 34 sur lequel le moyen de mise en pression est raccordé, et un évent 35 anti-retour permettant de chasser l'air lors de la mise en pression de la membrane 33. Les parois des caissons secondaires sont réalisées en PMMA de même épaisseur que les éléments du caisson principal. Toutefois d'autres matériaux peuvent être utilisés, y compris des matériaux non transparents. Les parois doivent simplement résister aux efforts imposées par la membrane lorsqu'elle est gonflée. Les caissons secondaires des parois latérales mobiles 30a, 30b sont fermés par un couvercle fixé sur des faces de dessus des parois des caissons secondaires. Une mise en pression de la membrane 33 (figure 2b) entraîne un déplacement de la membrane en direction de l'intérieur du caisson principal. La membrane forme ainsi une paroi mobile sur un côté du caisson principal Il est également possible d'utiliser un plateau mobile 40 de dimensions appropriées pour fermer à la fois le caisson principal et les caissons secondaires. Dans un autre exemple, non représenté, une (ou les deux) paroi(s) latérale(s) mobile(s) 30a, 30b peut (peuvent) être constituée(s) d'un plateau vertical mobile, entraîné en translation horizontale par un moteur ou une presse. Les parois longitudinales 20a, 20b du caisson principal 10 sont fixées l'une à l'autre à leur extrémité opposée à l'embase par un moyen de renfort 45, en l'espèce des tiges filetées vissées de part et d'autre de chaque paroi longitudinale pour maintenir l'écartement entre les deux parois longitudinales. Pour des dispositifs de grande taille notamment ou pour le test de produits fragiles ou dangereux à manipuler, il peut être intéressant de prévoir un moyen pour remplir le caisson principal d'un matériau granulaire, par exemple un tuyau d'arrivée de matériau associé à une pompe apte à faire circuler le matériau dans le tuyau. Le plateau est enlevé pour permettre le chargement du matériau à tester dans le caisson, puis le caisson est fermé après chargement. Le dispositif selon l'invention peut encore comprendre un moyen pour remplir le caisson principal d'un fluide ou un fluide sous pression pour l'étude du couplage hydromécanique entre le fluide et les grains du matériau granulaire. Le fluide est par exemple de l'eau ou de l'huile, ou encore du pétrole ou un fluide polluant. Le moyen de remplissage est par exemple un évidement 46 traversant l'embase, débouchant par des trous 47 dans le caisson principal et sur lequel peut être fixé un tuyau d'amenée de fluide. Avec un dispositif tel que décrit ci-dessus, des essais ont été réalisés avec un échantillon de sable, soumis à une pression variable de 0 à 100 kiloPascal et soumis à un déplacement vertical du plateau 40 correspondant à 20% de déformation axiale. Une caméra CCD et un appareil photo dit "full frame" ont été utilisés pour la visualisation. Un logiciel d'analyse d'images (Digital Image Correlation) a été utilisé pour calculer les déplacements locaux des grains et les déformations locales des grains. Des courbes ont pu être déterminées avec précision, notamment les variations de la pression appliquée à l'échantillon en fonction de la déformation, les variations de la déformation verticale d'un ensemble grain en fonction de la déformation radiale, ainsi que les variations de la déformation verticale d'un grain en fonction de la déformation radiale du même grain, etc. Des coefficients caractéristiques de l'échantillon ont également pu être déterminés, par exemple le module d'Young local et le coefficient de Poisson, la dynamique des contacts, les zones locales de contractance et de dilatance etc. Nomenclature un moyen de mesure comprenant 50 un moyen de prise de vue de type caméra 50 60 un moyen de traitement d'images 60. 10 caisson principal comprenant : 11 une embase comprenant : 12a, 12b deux rainures de positionnement 46 un évidement 47 des trous débouchant 20a, 20b deux parois longitudinales 20a, 20b 30a, 30b deux parois latérales comprenant : un caisson secondaire comprenant : 31a, 31b deux parois longitudinales 32 une paroi latérale 33 une membrane 34 ouverture latérale 35 évent un moyen (non représenté) pour gonfler la membrane souple 40 un plateau mobile 45 un moyen de renfort REVENDICATIONS1. Dispositif d'essai comprenant un caisson principal (10) apte à recevoir un matériau granulaire à tester, le caisson principal comprenant une embase (11) sur laquelle sont fixées deux parois longitudinales (20a, 20b) transparentes rigides et deux parois latérales (30a, 30b), le dispositif comprenant également un plateau (40) mobile en translation entre les parois du caisson principal pour appliquer une pression au matériau granulaire selon un premier axe et un moyen (50, 60) pour mesurer un déplacement de grains du matériau granulaire à travers les parois longitudinales du caisson principal. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel au moins une paroi latérale est mobile pour appliquer une force de pression selon un deuxième axe. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la paroi latérale mobile (30a, 30b) comprend : - un caisson secondaire comprenant deux parois longitudinales (31a, 31b), une paroi latérale (32), le caisson secondaire étant fixé au caisson principal de sorte qu'un intérieur du caisson secondaire communique avec un intérieur du caisson principal, - une membrane (33) fermée et souple, positionnée à l'intérieur du caisson secondaire, et - un moyen de mise en pression de la membrane souple à l'intérieur du caisson secondaire pour appliquer ainsi une force de pression au matériau granulaire selon le deuxième axe. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les parois longitudinales (20a, 20b) du caisson principal (10) sont fixées l'une à l'autre à leur extrémité opposées à l'embase par un moyen de renfort (45). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une face de contact du plateau (40) mobile est recouverte d'un matériau limitant les frottements. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen pour remplir le caisson principal (10) d'un matériau granulaire. 7. Dispositif selon la revendication 6, comprenant également un moyen (46, 47) pour remplir le caisson principal (10) d'un fluide ou d'un fluide sous pression. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de mesure de déplacement de grains comprend : - un dispositif de prise d'images, par exemple une caméra (50), et - un moyen de traitement d'images (60) pour déterminer un déplacement d'au moins un grain ou une déformation d'au moins un grain. 9. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, pour l'étude d'un déplacement ou d'une déformation d'un assemblage granulaire et / ou d'au moins un grain dans un assemblage granulaire sous pression, le dit assemblage granulaire étant d'origine naturelle (sable, gravier, argile, blé, café, etc.) ou issu d'un processus industriel (comprimés pharmaceutiques, billes d'acier ou de verre, granulés alimentaires, etc.).