Les silos #9 – ZOOM SUR… matière granulaire ou poudre ?

Le présent article est un complément à la série sur les silos en général et plus particulièrement les silos métalliques. Il détaille les différents critères pour distinguer une poudre d’une matière granulaire et les spécificités de son comportement.

Terminologie et définitions

Il n’y a pas de catégorisation universelle pour décrire les matières en vrac stockées dans les silos. Nous proposons ici de s’inspirer des définitions données dans l’Eurocode 1 – Actions sur les structures – Partie 4 : Actions (EN 1991-4) [1] :

Une matière en vrac, ou matière particulaire (particulate solid), est une matière composée de particules solides indépendantes. Une matière particulaire peut être versée, similaire à un liquide. En fonction de différentes caractéristiques qui seront discutées par la suite, une matière particulaire peut être classée comme matière granulaire (granular solid) ou comme poudre.

À noter que dans la version française de l’Eurocode 1 Partie 4, la traduction et la distinction des termes particulate (particulaire) et granular (granulaire) ne sont pas toujours cohérentes. Dans le doute, il convient de se référer à la version anglaise.

La distinction entre matière granulaire et poudre peut être faite dans un premier temps simplement par la taille des particules, ou plus précisément en fonction de leur comportement.

L’Eurocode 1 Partie 4 donne les définitions suivantes :

• Une matière particulaire est composée de particules solides individuelles et indépendantes ;
• Une matière granulaire est une matière particulaire avec des particules suffisamment grandes pour que l’air interstitiel ne joue qu’un rôle mineur dans la détermination des pressions et dans le comportement à l’écoulement ;
• Une poudre est une matière particulaire dont la taille moyenne des particules est inférieure à 0,05 mm.

D’autres définitions d’une matière granulaire (par rapport à une poudre) comprennent les critères suivants [2] :

• la granulométrie est élevée, la matière est généralement à écoulement libre (free flowing) ;
• les forces gravitationnelles (poids) sont prédominantes devant les forces interparticulaires (forces de Van der Waals, forces électrostatiques, etc.) ;
• l’écoulement est moins influencé par l’état de contraintes (il n’y a pas ou peu de cohésion).

Note : la cohésion traduit le fait que la poudre se comporte comme un solide à cause d’une historique de chargement (compression), ayant comme conséquence la transmission de (faibles) efforts de traction entre particules. Selon la FEM [3], « pour des grains inférieurs à environ 0,15 mm, il y a en général cohésion ». L’adhésion entraîne des conséquences similaires, mais elle est due à l’humidité et peut impacter aussi des matières granulaires.

Comportement des poudres et impact sur la structure du silo

Les poudres peuvent présenter des comportements plus complexes que les matières granulaires. On peut citer notamment les points suivants :

• lors d’un remplissage pneumatique, les particules restent en suspension dans l’air et peuvent se déposer en une surface horizontale (ce qui nécessite la prise en compte d’une surface équivalente (définition voir article 3 de la présente série) plus haute) ;
• la cohésion peut être à l’origine de la formation de voûtes ou paquets de matière collés sur les parois, ou encore de cheminées stables dans le volume de la matière ensilée. Cela a comme conséquence :
  • des difficultés à la vidange ;
  • des efforts latéraux localisés en pied de voûte ;
  • des actions dynamiques au moment de l’effondrement de la voûte ou de la cheminée, ou bien de la chute des paquets ;
• la fluidification peut être la conséquence de l’ajout d’une grande quantité d’air dans la poudre, au remplissage (remplissage pneumatique) ou à la vidange (vidange par insufflation d’air). Le mélange poudre-air fluidifié exerce des pressions sur la paroi, différentes de celles de la poudre seule au repos : la pression du mélange s’approche de la pression hydrostatique, donc avec des pressions horizontales largement supérieures.

Conclusion

La distinction simple entre matière granulaire et poudre par la granulométrie peut servir comme première indication, mais les comportements d’une matière particulaire fine dépendent d’un grand nombre de facteurs, et il n’est pas possible de définir des règles simples et universellement valables. Chaque cas doit être évalué individuellement et les exigences pour le calcul de la structure doivent être explicitées dans le cahier des charges.

Références

[1]        AFNOR (2007). NF EN 1991-4 : Eurocode 1 – Actions sur les structures – Partie 4 : Silos et réservoirs.

[2]        Saleh K., Leturia M. (1er octobre 2020). « Stockage et écoulement des solides granulaires dans les silos – concepts de base et théorie (Ref. J2258) », Techniques de l’ingénieur.

[3]        Fédération Européenne de la Manutention (mai 1989). FEM 2.321 : Influence des caractéristiques des produits en vrac sur la conception et le calcul des silos, dans FEM Section II – Manutention continue.

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Hannah Boehm, cheffe de projets, CTICM