GRANULOMÉTRIE


GRANULOMÉTRIE
GRANULOMÉTRIE

La granulométrie a pour objet la mesure de la taille des particules élémentaires qui constituent les ensembles de grains de substances diverses, telles que farines, poudres, sables, etc., et la définition des fréquences statistiques des différentes tailles de grains dans l’ensemble étudié.

Bien que cette technique soit couramment utilisée dans l’industrie pour les farines, les ciments, les abrasifs, c’est dans les sciences de la Terre que la granulométrie connaît les applications les plus nombreuses et les plus variées: elle permet en particulier, en géologie, de préciser les conditions de sédimentation; en pédologie, elle offre une définition quantitative d’un des caractères fondamentaux des sols: la texture. La désignation même de la plupart des formations géologiques meubles dans le langage courant est fondée sur leurs dimensions: suivant que des fragments arrondis de roches sont de plus en plus petits, on parle de galets, de graviers, de sables... Ces expressions courantes ont été le plus souvent adoptées par le langage scientifique, et les noms des fractions granulométriques sont assez nombreux.

Les modes d’analyse sont également variés; ils dépendent de la nature des grains, qui peuvent être plus ou moins friables, solubles ou insolubles, floculés ou défloculés, ainsi que de leur dimension; par exemple, le tamisage, couramment employé pour les sables quartzeux, ne peut plus l’être pour les gros blocs ou les particules très petites. Enfin, les modes d’expression des granulométries (indices, graphiques) dépendent en particulier du caractère plus ou moins détaillé des analyses effectuées et de l’interprétation envisagée.

1. Classifications granulométriques

De très nombreuses classifications granulométriques ont été proposées, notamment par A. Atterberg, F. Rinne, J. Bourcart. Les limites entre les catégories distinguées correspondent en général à des changements des propriétés mécaniques et physiques des grains. La plupart des auteurs admettent la limite de 2 mm, et celles de 1 猪m, 2 猪m, 20 猪m, 40 猪m, 50 猪m, 200 猪m, 2 cm, 20 cm, 100 cm apparaissent comme les plus courantes.

Les noms donnés aux différentes fractions sont aussi divers, en particulier pour les fractions fines. Bourcart distinguait les colloïdes (inférieurs à 0,1 猪m), les précolloïdes (de 0,1 à 1 猪m), les poudres (de 1 猪m à 20 猪m), les sables (de 20 猪m à 2 mm). D’autres expressions sont employées: fines, lutites, pélites pour les fractions inférieures à 50 猪m ou 40 猪m; silt, poussières, limons, farines... (de 2 猪m à 50 猪m environ). Bien qu’il n’existe aucune classification universelle des matériaux géologiques selon leurs dimensions, on distingue en général:

– les rudites , au-dessus de 2 mm, subdivisées en: blocs, au-dessus de 20 cm; cailloux (anguleux) ou galets (arrondis), de 20 cm à 2 cm; graviers de 2 cm à 2 mm;

– les arénites , de 2 mm à 50 猪m, subdivisées en: sables grossiers et moyens, de 2 mm à 200 猪m; sables fins (ou sablons), de 200 猪m à 50 猪m;

– les pélites , au-dessous de 50 猪m, subdivisées en: limons grossiers, de 50 à 20 猪m; limons fins, de 20 à 2 猪m; argiles, au-dessous de 2 猪m (le sens du mot «argile», ici purement dimensionnel, diffère du sens minéralogique).

Lorsque les éléments constitutifs des roches sont consolidés, les rudites forment des brèches ou des conglomérats, les arénites des grès, et les pélites des argilites.

2. Techniques d’analyse

Une méthode consiste à mesurer directement la dimension des grains observés à l’œil nu pour les galets et graviers, sous la loupe binoculaire pour les sables, au microscope pour les éléments plus petits. Mais cette méthode ne saurait s’appliquer à des échantillons très nombreux, sauf lorsque les opérations de mesure et de comptage des grains sont automatiques, comme dans l’étude de certaines poudres métalliques industrielles. Dans les sciences de la Terre, les méthodes les plus courantes consistent à déduire les tailles des grains de sable et de gravier de leur admission ou de leur refus par des orifices de dimensions connues (tamisage) et celles des particules pélitiques de leur vitesse de chute dans un milieu fluide moins dense qu’elles (méthode à la pipette, au densimètre et mesures par rayons). D’autres méthodes utilisent les compteurs de particules, les analyseurs automatiques d’image ou la diffraction laser.

Le tamisage des sables et graviers

Le tamisage consiste à répartir les grains d’un échantillon en une série de classes dimensionnelles de plus en plus petites, par passage à travers des orifices de plus en plus étroits. En réalité, lorsque les grains ne sont pas sphériques, les orifices les trient selon leur largeur, et non selon leur longueur. Les orifices sont formés par des mailles carrées de toile métallique ou, parfois, pour les diamètres supérieurs à 3 mm, par des trous ronds ménagés dans des tôles. On admet que le diamètre des trous d’une passoire doit être 1,25 fois plus grand que le côté des mailles d’un tamis pour avoir le même effet de triage. Les tôles ou les toiles garnissent des montures cylindriques de diamètres divers (31,5 cm, 25 cm, 21 cm, 15 cm, etc.) qui peuvent s’emboîter les unes dans les autres en formant des séries de tamis ou de passoires. Ces séries sont en général constituées de telle sorte que les ouvertures présentent une progression géométrique régulière (cf. tableau). La progression adoptée par l’Association française de normalisation (Afnor) a pour raison 1,259 (10 連10). On utilise aussi d’autres progressions, de raison 1,189 (4 連2), 1,414 (2 連2). Le tamisage peut être effectué par agitation à sec ou sous l’action d’un courant d’eau; la quantité à tamiser dépend de la taille des grains et de la surface des tamis. La durée du tamisage, en général de l’ordre d’un quart d’heure, dépend de la friabilité de l’échantillon. Les refus successifs et l’ultime tamisat sont pesés, l’analyse fournit donc le poids et non le nombre des grains de chaque classe dimensionnelle.

La granulométrie des pélites

L’utilisation des tamis n’est plus possible au-dessous de 40 à 50 猪m. On sépare les pélites des fractions plus grossières par tamisage, et l’on effectue la granulométrie des pélites avec d’autres méthodes: on déduit leur dimension de leur vitesse de chute dans un milieu fluide moins dense qu’elles. Sauf dans des cas très rares où le fluide est constitué par un gaz, il s’agit d’un liquide. Celui-ci peut être immobile (sédimentométrie) ou animé d’un mouvement ascendant (méthode par lévigation). Cette analyse est fondée sur la loi de Stokes qui permet de déduire la dimension d’une particule sphérique de sa vitesse de chute dans un milieu fluide, dans des conditions connues d’expérience. La loi de Stokes peut s’exprimer ainsi:

r est le rayon de la particule, V la vitesse limite de chute, C une constante dans un milieu donné. Cette méthode suppose que toutes les particules ont une égale densité et qu’elles sont sphériques, ce qui, en fait, est rare. Elle ne donne donc que des résultats approchés; elle est cependant la plus commode et la plus fréquemment utilisée.

À partir de cette loi, toute une série de modes opératoires ont été inventés pour évaluer la proportion des grains de chaque dimension, les grains les plus gros tombant plus vite que les grains les plus petits (fig. 1). En général, les grains, débarrassés éventuellement de la matière organique qui pouvait les agglomérer, sont mis en suspension par une agitation prolongée dans un liquide auquel on a ajouté un produit dispersant pour éviter toute floculation.

Une méthode simple consiste alors à séparer les grains les plus petits par des siphonages répétés après une durée connue de sédimentation; celle-ci étant relativement longue pour les plus petits diamètres, on peut l’accélérer en substituant une force centrifuge à la simple gravité. Les méthodes à la pipette (pipettes de Robinson, d’Andreasen, etc.) consistent à prélever une fraction de la suspension. Cette fraction contient, à leur concentration initiale, tous les grains plus petits qu’une certaine dimension, fonction de la profondeur du prélèvement et de la durée de sédimentation. Une série de prélèvements sont effectués soit à des profondeurs décroissantes, soit après des durées croissantes, et les résidus minéraux de chaque prélèvement sont pesés après évaporation du liquide. Les méthodes densimétriques permettent de déduire les proportions des grains des différentes tailles de la densité mesurée à des profondeurs connues à l’aide d’aréomètres (Bouyoucos, Mériaux, etc.) ou d’une série de flotteurs complètement immergés. Des abaques spécialement conçus à cet effet simplifient les calculs. Dans la méthode des balances de sédimentation (balance Sven Oden, D. J. Doeglas, Martin, etc.) on déduit les proportions des différentes classes granulométriques de l’accroissement du poids des sédiments qui se déposent sur le plateau d’une balance de précision.

D’autres appareils comptent les particules en suspension dans un liquide lorsqu’elles passent dans une sonde munie de deux électrodes situées de part et d’autre d’un orifice de diamètre donné. Le passage des particules modifie la résistance qui dépend pour l’essentiel du volume de la particule qui franchit l’orifice. L’appareil détermine ainsi le nombre de particules et leurs volumes.

D’autres méthodes, enfin, font appel aux techniques de l’analyse automatique d’image. Le balayage systématique du champ d’un microscope permet alors, outre des mesures de dimension, des mesures d’indices de formes qui dépassent l’objet de la granulométrie pour ressortir à celui de la morphométrie.

3. Modes d’expression

Les résultats de l’analyse granulométrique peuvent être exprimés de bien des manières, outre les tableaux numériques: représentations graphiques, indices statistiques.

Les graphiques granulométriques

Parmi les représentations graphiques, le diagramme triangulaire est une des plus simples. Il est établi sur un triangle équilatéral où trois systèmes de coordonnées sont parallèles à chacun des côtés. Ainsi peuvent être figurés des ensembles composés de trois fractions. Utilisé en sédimentologie, le diagramme triangulaire est surtout connu en pédologie, les trois systèmes de coordonnées indiquant alors les argiles, les limons et les sables (fig. 2).

D’autres types de représentation sont établis en coordonnées rectangulaires où les dimensions des grains sont marquées en abscisses et les fréquences en ordonnées. Lorsque les fréquences de chaque classe granulométrique sont représentées par des rectangles, la figure obtenue est un histogramme. Dans d’autres cas, on préfère établir une courbe granulométrique d’après les fréquences cumulées. L’axe des abscisses est le plus souvent gradué selon le logarithme des dimensions des grains, ou, ce qui revient au même, selon une échelle granulométrique comme l’échelle des 淋, proposée par le sédimentologue C. K. Krumbein (fig. 3). Dans cette échelle, les dimensions des termes successifs sont chacune égales à la moitié de la dimension du terme précédent: 淋0 correspond à 1 mm, 淋1 à 0,5 mm, 淋2 à 0,25 mm, 淋3 à 0,125 mm, etc. La croissance des indices de l’échelle des 淋 correspond à la décroissance des diamètres des grains. Cette échelle granulométrique suit naturellement l’ordre des données fournies aussi bien par les tamisages, dont les refus successifs correspondent à des dimensions décroissantes, que par les analyses des pélites, dont les résultats donnent successivement des pourcentages cumulés jusqu’à des dimensions de plus en plus petites. D’autres échelles établies selon des progressions différentes ont été proposées, notamment par J. Bourcart (échelle des 見). L’axe des ordonnées, gradué arithmétiquement le plus souvent, est utilisé à la représentation des fréquences des poids cumulés à partir des plus grandes dimensions. Les courbes cumulatives de fréquence sont une des représentations les plus complètes des granulométries et sont employées aussi bien dans les sciences de la Terre que dans les techniques industrielles.

Les indices granulométriques

La médiane est, en granulométrie, la taille du grain telle qu’il y ait le même poids de grains plus gros que de grains plus petits. Cette valeur peut facilement être déterminée graphiquement sur une courbe cumulative de fréquence des poids: c’est l’abscisse du point de la courbe d’ordonnée 50 p. 100. On détermine de même les premier et troisième quartiles: Q1 et Q3, qui correspondent aux abscisses des points de la courbe cumulative d’ordonnée 25 et 75 p. 100.

L’indice de mauvais triage S0 proposé par P. D. Trask sous l’expression de sorting index est égal à 2 連Q1/Q3. Il est d’autant plus élevé que la population de grains étudiés est plus hétérométrique. Un autre indice défini par C. K. Krumbein, le Qd 淋, correspond au demi-intervalle, mesuré en unité 淋, qui sépare Q1 de Q3. Il est lié à l’indice précédent par la relation Qd 淋 = log2S0. Bien d’autres indices (indices d’angulosité, d’asymétrie de la distribution, etc.) ont été utilisés.

4. Applications dans les sciences de la Terre

Comme moyen de description, la granulométrie permet d’établir une diagnose quantitative des formations meubles. Elle trouve ainsi une application particulièrement importante dans l’étude texturale des sols, à laquelle les pédologues attachent beaucoup d’importance. Par exemple, la classification américaine des textures, qui est très répandue, est présentée sous forme d’un diagramme triangulaire divisé en treize types texturaux (fig. 2). L’analyse granulométrique permet aussi de préciser l’évolution des sols. Ainsi, le lessivage des éléments argileux de l’horizon A d’un podzol et leur accumulation dans l’horizon B seront bien mis en évidence par des analyses granulométriques de ces horizons [cf. PÉDOLOGIE].

Comme moyen d’explication, la granulométrie permet de connaître dans une certaine mesure les conditions dynamiques du dépôt et le milieu dans lequel la sédimentation s’est produite. Le calibre général fournit déjà de précieuses indications sur le mode de transport. L’allure de la courbe granulométrique est encore plus riche d’enseignements. Des faciès granulométriques ont été définis par de nombreux sédimentologues. Pour des courbes cumulatives établies en coordonnées semi-logarithmiques, on peut distinguer entre autres les deux faciès suivants (J. Tricart):

– le faciès logarithmique , où la courbe est rectiligne, indique l’absence de sélection lors du dépôt. Les moraines de fond, les coulées de solifluxion présentent très souvent une granulométrie de ce type;

– le faciès sigmoïde , qui est, au contraire, caractéristique d’une sélection: les particules d’une certaine dimension se sont déposées, alors que les plus petites ont été entraînées et que les plus grosses n’ont pu atteindre l’endroit du dépôt. Les dunes, les bancs fluviaux, les plages marines offrent presque toujours de tels faciès (fig. 3).

Il existe naturellement bien d’autres faciès, notamment dans les dépôts polygéniques, par exemple lorsqu’un dépôt de galets a été ultérieurement enrichi d’une matrice de sable ou de vase. En outre, malgré les précautions prises, bien des échantillons analysés sont constitués par des mélanges de deux ou plusieurs lits mis en place dans des conditions différentes, comme un lit déposé lors d’une crue et un autre lors d’une décrue. Le choix des échantillons significatifs est une des grandes difficultés des techniques granulométriques.

Les indices de mauvais classement S0, Qd 淋 donnent des renseignements beaucoup moins complets que la courbe cumulative qui décrit l’ensemble du sédiment. Les indices peu élevés (S0 compris entre 1 et 2,5; Qd 淋 compris entre 0 et 1,3) caractérisant les bons triages correspondent aux accumulations éoliennes, aux dépôts de plage, alors que les indices très élevés (S0 礪 3; Qd 淋 礪 1,6) indiquent une hétérométrie fréquente dans les moraines, les éboulis, les coulées boueuses ou les dépôts vaseux de décantation estuarienne, pour ne prendre que des cas extrêmes.

Les indications fournies par la granulométrie ne permettent pas toujours de reconstituer à elles seules les conditions de dépôt, et l’on doit alors faire appel à des techniques complémentaires, parmi lesquelles on peut citer l’étude des dispositions des particules sédimentaires: dispositions individuelles des grains, orientation, inclinaison et dispositions collectives, stratification.

granulométrie [ granylometri ] n. f.
• av. 1928; de granule et -métrie
Métrol. Mesure de la forme, de la dimension et de la répartition en différentes classes des grains et des particules de la matière divisée. Méthodes de granulométrie ( tamisage) .
Technol. Classement des produits pulvérulents selon la taille des grains. La granulométrie d'une poudre. Adj. GRANULOMÉTRIQUE , 1928 .

granulométrie nom féminin Mesure des dimensions des grains d'un mélange, détermination de leur forme et étude de leur répartition dans différents intervalles dimensionnels. (On distingue les méthodes de tamisage, les méthodes par élutriation et les méthodes microscopiques.) Synonyme de granularité. Évaluation, après destruction des agrégats, des pourcentages des particules élémentaires du sol, réparties en quatre catégories de diamètres : argiles 0-2 μm, limons 2-20 μm, sables 20-2 000 μm, et graviers. (Les proportions relatives en argiles, limons, sables, graviers constituent la texture du sol.) ● granulométrie (synonymes) nom féminin
Synonymes :
- granularité

granulométrie
n. f. Didac. Mesure de la taille et étude de la répartition statistique, selon leur grosseur, des éléments d'une substance pulvérulente.

GRANULOMÉTRIE, subst. fém.
SC. DE LA TERRE. ,,Mesure de la dimension des particules qui constituent un ensemble; p. ext. résultat de cette mesure : composition granulométrique`` (PLAIS.-CAILL. 1958). La question de l'avantage et des inconvénients des granulométries continues ou discontinues est très controversée (CLÉRET DE LANGAVANT, Ciments et bétons, 1953, p. 162). Suivant la méthode envisagée, on obtiendra des granulométries plus ou moins fines (CAILLÈRE, HÉNIN, Minér. argiles, 1963, p. 65).
Prononc. : []. Étymol. et Hist. 1953 (CLÉRET DE LANGAVANT, loc. cit.). Dér. d'un élém. granulo- (v. granule) et de l'élém. -métrie.

granulométrie [gʀanylɔmetʀi] n. f.
ÉTYM. V. 1950; probablt antérieur (→ Granulométrique); de granulo-, et -métrie.
Sc. Mesure des dimensions et détermination de la forme des particules et des grains (AFNOR).Techn. Méthode de classement des produits pulvérulents selon la proportion des grains de différentes tailles qui les composent.
DÉR. Granulométrique.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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