Enciclopedia cu nisip fluid sau solid; mediu inconjurator
Nisipul este unul dintre materialele comune în mediul nostru. Atașat simbolic la decorul de pe litoral, este totuși unul dintre materialele de bază care intră în constituția betonului. În plus, este una dintre componentele de bază ale solurilor și, ca atare, este familiar oricărui inginer geotehnic. Născut din descompunerea rocilor cristaline, este adesea prezentat ca un exemplu deosebit de ilustrativ al materialelor granulare, unde dispunerea dezordonată a boabelor sale îi va conferi proprietăți foarte unice. Acest articol își propune să revizuiască unele dintre aceste proprietăți, după amintirea originii nisipului.
1. De unde vine nisipul? ?
Nisipurile constituie starea finală de degradare a multor roci, în special roci magmatice formate prin cristalizare profundă, constând din cereale. Rocile de granit [1] sunt un exemplu excelent, sunt principalele vârfuri ale majorității masivelor alpine înalte (Mont-Blanc, Ecrins, Ambin, Argentera). Prin efect de eroziune, o consecință inevitabilă a îmbătrânirii materialului sub efectul agenților agresivi (în principal climatici), rocile se fragmentează în elemente mai mici, până se descompun într-un ansamblu granular, unde „găsim boabele rocii originale” (Figura 1). Acest ansamblu se numește arena de granit. De exemplu, pentru granit, găsim cristale de mică, cristale de feldspat și cristale de cuarț. Din cauza modificării fizico-chimice care continuă, doar boabele de cuarț persistă adesea, formând astfel nisipul de pe malurile râului sau ale plajelor.
2. O poveste de cereale
Pentru inginerul geotehnic, care este interesat de soluri în așteptarea lucrărilor de inginerie civilă viitoare (construirea unei structuri rutiere, a unei clădiri, a unui baraj, a unei structuri off-shore), densitatea nisipului care constituie solul este de o importanță capitală., deoarece comportamentul mecanic (adică modul în care solul se deformează sub acțiunea unei sarcini date) nu va fi deloc același în funcție de cât de dens este nisipul sau de slăbit. Și pentru majoritatea lucrărilor de inginerie civilă, este esențial să se prevină deformarea solului dincolo de o limită foarte strictă !
3. Solid, aer și apă
Figura 3. Diagrama diferitelor stări ale apei într-un sol: (a) regim higroscopic, (b) regim pendular, (c) regim funicular, (d) regim capilar. [sursă: Conform lui Luc Scholtes (2008): Modelarea micromecanică a mediului granular parțial saturat. Teză de doctorat, Științe de inginerie [fizică], Institutul Național de Politehnică din Grenoble.] Nisipul din soluri este rareori alcătuit doar din cereale solide și aer. Într-adevăr, golurile dintre boabe pot fi ocupate de un fluid (adesea apă, dar uneori și hidrocarburi ca în nisipurile bituminoase ale Canadei). Acest fluid poate ocupa toate golurile (vom spune că nisipul este saturat), sau doar o parte din goluri (Figura 3). Prezența unui fluid modifică profund comportamentul mecanic al unui sol nisipos. Dacă golurile dintre boabe conțin puțină apă, atunci între boabe se dezvoltă forțe (numite capilare), exercitând un efect atractiv între ele, responsabile de coeziunea probei. Astfel puteți construi un castel de nisip, cu pereți verticali! Dacă materialul este saturat (ceea ce se întâmplă când crește mareea), castelul se prăbușește, prin dispariția forțelor capilare și, prin urmare, a coeziunii materialului.