Caractérisation granulométrique des chènevottes

Caractérisation
chènevottes
granulométrique
des
Vincent Picandet, Pierre Tronet, Christophe Baley
Laboratoire d’Ingénierie des MATériaux de Bretagne (LIMATB),
Université
de
Bretagne-Sud,
Université
Européenne
de
Bretagne
Centre de Recherche Christiaan Huygens, BP 92116, 56321 LORIENT Cedex
RÉSUMÉ. La chènevotte est un co-produit de l’industrie du chanvre qui tend à être de plus
en plus employé dans les matériaux de construction. L’essor des bétons de chanvre est
principalement dû aux performances thermiques conférées par le granulat qui représente une
fraction volumique importante du matériau. Actuellement la mise en œuvre industrielle in situ
ou en usine de préfabrication nécessite une meilleure caractérisation de ces granulats. Cette
étude se concentre sur la granulométrie de la chènevotte. Les résultats montrent que le
tamisage discrimine les particules selon leur largeur. La distribution de leur longueur,
principale source de variabilité et d’incidence sur les caractéristiques des matériaux dans les
quels ils sont employés, peut elle par contre être mesurée de manière fiable par analyse
d’image. Enfin, des modèles de distribution adaptés sont ajustés afin de comparer et de
qualifier les granulométries selon des paramètres définis.
ABSTRACT. Hemps shiv is a by product of hemp industry. Currently, its use in building
materials tends to increase. The rapid development of lime and hemp concrete is mainly due
to the thermal performance of the material induced by high volume content of hemp shiv.
Currently, industrial process in site or in pre-cast factories needs more bio-based granular
characterizations that can be used to define standardization. This study focuses on particle
size distribution of hemp shiv. Results show that sieving separates particles according to their
width. But the length distribution of particles, that have great influence on properties of
materials made with hemp shiv, can be reliably assessed using image analysis. Finally,
suitable distribution models are fitted in order to compare and qualify the particle size
distributions according to defined parameters
MOTS-CLÉS : Chènevotte, Granulométrie, Granulats Végétaux, Analyse d’Image,
Tamisage, Normalisation.
KEY WORDS: Hemp Shiv, Particle Size Distribution, Bio-Based Aggregates, Image
Processing, Sieving Method, Standardization.
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA
1.
Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
2
Introduction
Les granulats d’origine végétale présentent des caractéristiques très différentes
des granulats minéraux classiquement employés dans les bétons, pour lesquels des
outils et des techniques de caractérisations normées existent. De part la structure de
la tige de la plante dont ils sont issus, ils sont généralement allongés, très poreux et
déformables, avec une faible masse volumique apparente [NGU 09] [NGU 10].
La paille de chanvre est composée de fibres corticales très longues et peu
lignifiées entourant une partie boisée (fibres courtes très lignifiées) au centre de la
tige correspond à la partie ayant véhiculé la sève pendant la période de croissance de
la plante [BOU 06]. La fibre corticale, riche en cellulose, constitue la principale
valeur de ce produit agricole. Lors du défibrage, la paille est broyée, à l’aide d’un
broyeur à marteaux le plus souvent. La partie boisée est détachée des fibres, et est
déchiquetée en petits morceaux pour former de la chènevotte [BEV 08]. 100 kg de
paille de chanvre comprennent environ 30 kg de fibre, 60 kg de chènevotte et 10 kg
de poussière [BRU 09]. Bien que principal constituant, la chènevotte n’est qu’un coproduit de l’exploitation du chanvre. La mise en œuvre industrielle in situ ou en
usine de préfabrication nécessite pourtant une meilleure caractérisation de ces
granulats pour maîtriser la qualité des matériaux finis. L’appellation « chènevotte »
désigne actuellement des granulats issus de la tige de chanvre qui peuvent être très
variés puisqu’ils sont issus de produits agricoles soumis à des aléas climatiques et
obtenus à partir de différents procédés post-récolte. Par ailleurs, les processus de
mise œuvre employés tendent à orienter préférentiellement ces particules, et de ce
fait, selon l’élancement des particules, génèrent une anisotropie sensible du
matériau, sur le plan de ses caractéristiques thermiques notamment [NGU 10].
A ce jour, aucune norme n’encadre les caractéristiques de ces granulats biosourcés. Ils diffèrent à bien des égards des granulats minéraux traditionnellement
employés dans les bétons hydrauliques, plus sphériques, très rigides avec une faible
porosité et pour lesquels des méthodes de caractérisation ont été définies et sont
employées dans les normes. Cette étude se concentre sur la granulométrie de la
chènevotte. Des méthodes classiques par tamisage et analyse d’image ont été
employées et comparées en assumant une forme homothétique des particules et une
masse volumique indépendante de leur taille. Cette dernière hypothèse permet une
analyse croisée des différents résultats obtenus.
2.
Tamisage
2.1. Procédure
Le tamisage a été effectué sur un matériau sec, afin que les particules les plus
fines puissent se détacher des autres. Des tamis avec des ouvertures carrées
normalisées ainsi qu’une tamiseuse mécanique pour l’étude des sols et granulats
minéraux (NF ISO 3310.1 – ASTM E-11-95) ont été utilisés. Afin d’obtenir des
Caractérisation granulométrique des chènevottes
3
résultats répétitifs, le temps de vibration a été prolongé à 30 minutes pour un
échantillon de 200 grammes et pour 5 tamis consécutifs. Les ouvertures des tamis
utilisés s’échelonnent de 10 à 0,315 mm comme suit: 8 ; 6,3 ; 5 ; 4 ; 3,15 ; 2,5 ; 2 ;
1,25 ; 0.8; 0,63 et 0,315 mm.
L’analyse granulométrique par tamisage assume que toutes les particules sont
pratiquement de forme sphérique, et passe à travers une ouverture carrée lorsque son
diamètre est inférieur au côté du carré. Pour des particules aplaties ou allongées,
telles que les particules de chènevotte, cette méthode n’est pas la plus appropriée.
Les particules peuvent soit passer le tamis dans le sens de leur longueur (voir
figure 1), soit être retenues si elles se positionnent en travers de l’ouverture.
L’allongement du temps de tamisage permet de réduire les écarts relatifs des refus
obtenus sur chaque tamis. A partir de plusieurs essais, la précision des résultats, i.e.
l’évaluation des refus de chaque tamis, a été évaluée à ± 10%.
Figure 1. Vue en coupe d’une particule ellipsoïdale passant à travers le tamis
dans le sens de sa longeur, et dans le plan d’une diagonale d’une ouverture carrée.
2.2. teneur en fibre
Lorsque la plante est fauchée, elle peut être laissée au sol un temps variable pour
que le rouissage facilite le processus de défibrage. L’avancée de ce processus,
l’humidité de la paille et les réglages des broyeuses utilisées conditionnent la taille
des particules de chènevotte obtenues [MIA 11]. De plus le défibrage réalisé peut
être plus ou moins poussé et la teneur en fibres dans la chènevotte variable.
Dans le cas de la présence de fibres, le tamisage permet de compléter la
séparation des fibres de la chènevotte. Celles-ci ont en effet tendance à former des
pelotes sur les premiers tamis. Par ailleurs, lorsque la fibre et la chènevotte sont
toujours liées, les vibrations du tamis suffisent à les détacher. Généralement, la
quantité de fibres des chènevottes testées varie entre 1 et 15 % en masse. Les
granulométries présentées ensuite ne prennent pas en compte ces fibres libres.
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Néanmoins, une observation minutieuse des granulats montre qu’une petite quantité
de fibres courtes peuvent demeurer attachées à quelques particules de chènevotte.
3.
Analyse d'image
3.1. Acquisition d’une image numérique
L’analyse d’image est basée sur une observation en deux dimensions, de
particules étalées sur une surface plane. Dans cette étude, les images ont été
obtenues à partir d’un scanner classique utilisé pour numériser des documents. Cette
technique a l’avantage d’éviter toute distorsion de l’image qui pourrait se produire
avec l’utilisation d’un appareil photo. Le scanner permet d’acquérir une image en
niveau de gris 8 bits qui peut être traitée par un logiciel d’analyse d’image tel que
les logiciels « Image Tool » ou « ImageJ » accessibles gratuitement en ligne.
Les particules doivent être étalées de façon à éviter qu’elles se superposent ou se
touchent. Cela requiert une attention particulière lorsque les particules sont fines
Une procédure d’étalement assez dispersée nécessite un plus grand nombre
d’images à analyser mais facilite la vérification au cas par cas d’éventuels
chevauchements de particules. Comme les chènevottes étudiées sont de couleur
claire, un fond de couleur sombre a été adopté dans le but d’obtenir un maximum de
contraste. L’image traitée a une résolution de 600 DPI ou ppp (points par pouce) sur
l’axe vertical comme horizontal. Cela correspond a un facteur d’échelle constant de
0,0423 mm par pixel.
L’analyse requiert une image binarisée, qui nécessite un seuillage préalable de
l’image en niveau de gris pour être réalisée. C’est l’étape la plus délicate de cette
méthode. Un seuillage mal adapté peut contribuer à augmenter artificiellement la
taille des ces objets et par la suite surestimer ou sous estimer de façon sensible
(selon que le fond soit sombre ou clair) la taille relative des plus petits objets
détectés [IGA 09]. Un seuillage approprié doit couvrir le plus précisément la surface
des objets à détecter. La qualité de ce seuillage peut être vérifié à l’aide d’objets
étalons de petite dimension et de même couleur que les particules à détecter.
Généralement, dans le cas de particules claires sur un fond sombre, la limite haute
du seuillage est fixée au maximum soit 255 et la limite basse est comprise entre 60
et 90. Par la suite, seules les particules avec une aire supérieure à 0.1 mm2 (i.e : les
objets représentés par au moins 56 pixels) ont été prises en compte pour l’analyse
granulométrique.
3.2. Détermination de la taille des particules
L’observation de différentes natures de pailles broyées montre que les particules
qui en résultent ont des formes irrégulières et anguleuses dues à la microstructure de
la plante orientée dans l’axe de la tige et à l’action de déchiquetage que peuvent par
exemple engendrer les broyeurs à marteaux. Dans ce cas de figure, les formes des
particules les plus fines tendent alors à être de type polygonales convexes tandis que
Caractérisation granulométrique des chènevottes
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les formes des particules les plus grosses tendent à se diversifier pour comprendre
des particules non convexes [BIT 09].
L’analyse d’image permet d’accéder à bien plus d’informations que le tamisage
ne le permet. Pour chaque particule détectée, l’aire projetée, et le périmètre de l’aire
projetée sont mesurés directement et enregistrés. Ensuite la mesure de la longueur et
de la largeur de ces particules peut être sujette à différentes définitions selon la
représentativité de ces dimensions dans le cas du type d’objet à analyser. Dans notre
cas, longueur et largeur peuvent être mesurées directement à partir du diamètre
maximal de Féret (i.e. diamètre du plus petit cercle entourant l’objet dans sa totalité)
définissant l’axe majeur de l’objet (i.e. longueur de la plus longue ligne pouvant être
tracée à travers l’objet 2D) et dont l’orientation définit l’axe majeur de ce dernier.
La largeur peut être définie comme la longueur maximale selon l’axe mineur,
perpendiculairement à l’axe majeur (Image Tool). Cette méthode conduit à une
surestimation avec des formes rectangulaires puisque ce sont les diagonales qui sont
identifiées comme les longueurs. Cependant, la surestimation des longueurs
s’applique alors dans les mêmes proportions aux largeurs, si bien que l’élongation
des particules (i.e. rapport longueur sur largeur des particules), paramètre étudié par
la suite, demeure pratiquement identique, quelle que soit la méthode de
détermination employée. La largeur peut aussi être définie comme le diamètre
minimal de Féret, i.e. distance minimale entre deux droites (ou plans) parallèles
encadrant l’objet ou bien encore comme la largeur du rectangle (ou parallélépipède)
le plus étroit contenant l’objet, cf. figure 2. (ImageJ.)
Figure 2. Longueurs et largeurs analysées.
D’autres méthodes existent afin d’ajuster des formes géométriques de base
(rectangles, ellipses, triangles, polygones,...) sur les objets détectés [BIT 09] afin
d’en déterminer la longueur, la largeur et d’autres paramètres de forme. Parmi
celles-ci, dans le cas de chènevotte, une ellipse peut être ajustée de telle manière que
son centre de gravité corresponde avec celui de l’objet et que son aire projetée soit
identique à celle de l’objet. Les longueurs et largeurs de l’objet sont alors définies
respectivement selon les grands et petits rayons des ellipses ajustées (voir figure 2).
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Cette méthode permet de gommer une partie des protubérances des objets analysés
engendrées par les fibres liées aux particules (voir figure 3).
Figure 3. Particules de chènevotte après binarisation de l’image classées en
fonction du biais dans l’analyse que vont engendrer les protubérances dues au
déchiquetage et aux fibres liées rémanentes.
4.
Caractérisation granulométrique
4.1. Comparaison des différentes méthodes d’analyse d’image
Un échantillon de 4 g de chènevotte a été prélevé par quartage et analysé. 2300
particules d’une surface projetée supérieure à 0.1 mm2 ont été détectées. La figure 4
montre que, les distributions de taille sont unimodales, comme pour la plupart des
particules issues de tiges de plantes par un processus de broyage similaire [BIT 09].
Quelle que soit la méthode d’analyse employée, l’élancement des particules rend
la détermination de la longueur des particules quasiment identique. Les largeurs sont
elles sensiblement différentes. Dans l’hypothèse ou celles-ci sont toutes 3
légèrement surévaluées étant donné la morphologie des particules analysées, nous
avons sélectionné la méthode considérant la largeur égale au petit diamètre de
l’ellipse ajustée afin de caractériser les distributions observées, voir § 4.3, figure 5.
4.2. Distributions de taille des particules associées et comparaisons des
résultats
Plusieurs types de distribution, ou densité de probabilité, de taille des particules
peuvent être déduites à partir de ces essais selon qu’elles soient réparties selon : leur
nombre, leur aire projetée ou leur volume. Avec Ai, l’aire projetée de la particule i,
la répartition en cumulé passant peut être directement calculée à partir de la somme
des aires projetées de n particules ordonnées par taille croissante pour un nombre
total de N particules détectées dont l’aire cumulée est, AT. La répartition cumulée
par taille croissante, PA(X ≤ xn), analogue au « cumulé passant » obtenu par
tamisage, peut donc s’écrire :
PA (X ≤ x n ) =
∑
∑
n
i=1
N
Ai
A
i=1 i
=
1
AT
∑
n
i=1
Ai
[1]
Avec X la taille considérée des particules et PA(X ≤ xn) la proportion de l’aire
projetée des particules de taille inférieure à la nième particule de taille xn. Les
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Caractérisation granulométrique des chènevottes
répartitions cumulées PA(X ≤ xn) et les distributions de taille selon l’aire des
particules sont par la suite annotées (A) dans les figures 4 et 5.
Cependant, les courbes granulométriques sont habituellement tracées à partir
d’une répartition selon la masse. Si Mi est la masse de la particule i, la répartition
PM(X ≤ xn) est directement calculée à partir de la masse cumulée des n particules les
plus petites passant un tamis de taille donnée sur un total de N particules de masse
MT. Dans le but de comparer les résultats obtenus par tamisage et par analyse
d’image, cette répartition du type PM(X ≤ xn) doit être considérée dans les deux cas.
Si la densité apparente des particules est indépendante de leurs dimensions,
PM(X ≤ xn) peut aussi s’écrire selon le volume Vi de chaque particule et leur volume
total VT (voir éq.[2]). En supposant que les particules aient des formes similaires, ei
désigne l’épaisseur moyenne de chaque particule, ou leur troisième dimension
(inaccessible par analyse d’image en 2D), le volume de chaque particule peut être
considéré comme le produit de son aire projetée, Ai, par son épaisseur moyenne ei :
PM (X ≤ x n ) =
1
MT
∑ i=1 Mi =
n
1
VT
∑ i=1 Vi ≅
n
∑
∑
n
e .A i
i=1 i
N
e .A i
[2]
i=1 i
Par la suite de nombreuses études complémentaires peuvent être réalisées, mais
l’épaisseur ei de chaque particule ne peut pas être estimée aisément. L’analyse des
résultats montre que l’élongation des particules (i.e. longueur/largeur), est
indépendante de la taille des particules puisqu’elle demeure constante quelle que
soit l’aire projetée des particules. Cette constatation peut être supposée étendue dans
la troisième dimension : le rapport moyen largeur/épaisseur peut aussi
raisonnablement être supposé constant. Si les particules ont une masse volumique
identique, avec une forme similaire quelle que soit leur taille, c'est-à-dire qu’elles
sont globalement homothétiques avec des rapports moyens largeur/épaisseur
constants. La répartition selon la masse des particules peut être déduite à partir de
l’aire projetée Ai et de la largeur li des particules par la relation suivante :
PM (X ≤ x n ) ≅
∑
∑
n
l .A i  li

≅ const. 
 si
e
l
.A

i
i 
i=1 i
i=1 i
N
[3]
C’est en considérant cette hypothèse, que les répartitions cumulées PM (X ≤ xn)
et distributions de taille selon la masse des particules sont par la suite annotées (M)
dans les figures 4 et 5. La répartition cumulée PM (X ≤ xn) ne dépend pas de la
valeur de masse volumique des particules, ni du rapport moyen largeur sur
épaisseur. Comme PM (X ≤ xn) est sensible aux particules les plus grosses, cette
répartition peut être assez différente de PA (X ≤ xn) dans le cas d’une distribution
étalée. Il est intéressant de remarquer que si toutes les particules avaient la même
épaisseur, l’approximation de la répartition cumulée selon la masse, PM (X ≤ xn),
définie en éq. 4 est équivalente PA (X ≤ xn) définie par la relation [1].
Le décalage entre les courbes de passant cumulé en aire (A) ou en masse (M)
peut être observé (figure 4) pour les répartitions de largeur et longueur. Les
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répartitions de largeur sont globalement plus proches de la courbe de passant cumulé
obtenue par tamisage. Cela laisse supposer que le calibrage de la chènevotte lors du
tamisage des particules s’effectue principalement selon la largeur plutôt que la
longueur des particules. La distribution de largeurs cumulées en masse (M) est très
proche de la distribution obtenue en considérant la diagonale des ouvertures carrées
des tamis (cf figures 4). Cela indique que la plupart des particules s’orientent selon
la diagonale des ouvertures lors du passage à travers les tamis (cf figure 1). Seules
les particules dont la largeur est supérieure à 21/2d seraient alors retenues.
100%
80%
Passant cumulé (%)
Long. (A)
60%
40%
Long. (M)
Larg. (A)
Larg. (M)
Ellipse, distr. (A)
Axes Maj/min (Long.*/Larg.*), distr. (A)
Féret, distr. (A)
Ellipse, distr. (M)
Tamis
(d)
20%
Axes Maj/min (Long.*/Larg.*), distr. (M)
Tamis
1/2
(2 d)
Féret, distr. (M)
Diagonale des ouvertures du tamis
Côté des ouvertures carrées du tamis
0%
0.1
1
10
100
Taille (mm)
Figure 4. Longueurs et largeurs analysées.
4.3. Caractérisation des distributions
Différentes méthodes et paramètres existent afin de caractériser une distribution
granulométrique. Etant donné leur caractère unimodale et apparemment symétrique
selon une échelle logarithmique de taille, nous avons sélectionné, parmi les
fonctions de distribution simple à deux paramètres, la loi log-normale dont la
fonction de répartition des longueurs X s’écrit comme suit :
PLog.N (X ≤ x) =
 ln ( x ) − µ  
1
1 + erf 

2 
 σ 2  
[4]
Où µ et σ sont les paramètres à identifier et erf(x) désigne la fonction d’erreur de
Gauss. Il est à noter que eµ et eσ représentent réciproquement la moyenne
géométrique pondérée, et l’écart type, associé, pouvant être aussi tous deux calculés
de manière discrète à partir du fichier de données de l’ensemble des particules
identifiées, et dénommés Xgm et σgm (voir Tableau 1). La comparaison de ces
valeurs permet d’apprécier la représentativité des ajustements réalisés.
9
Caractérisation granulométrique des chènevottes
Tableau 1. Paramètres des distributions : calculés (Moyennes géométriques
pondérées, Xgm, et écart-types associés, σgm) et ajustés (µ, σ, et coefficient de
corrélation, R2).
Tamisage
Largeur
Longueur
d
21/2d
Distr. (A)
Distr. (M)
Distr. (A)
Distr. (M)
1.42
2.01
1.99
2.45
7.58
8.85
e
1.80
2.55
2.02
2.50
7.68
9.00
σgm
1.69
1.69
1.61
1.55
1.72
1.67
Xgm
µ
σ
e
1.48
1.48
1.62
1.59
1.71
1.71
R2
0.9996
0.9996
0.9996
0.9990
0.9993
0.9992
Ellipse, Petit Diamètre distr. (A)
100%
Ellipse, Petit Diamètre distr. (M)
Ellipse, Grand Diamètre distr. (M)
Log.Normal / Larg. distr. (A)
80%
Log.Normal / Larg. distr. (M)
Log.Normal / Long. distr. (M)
Passant Cumulé (%)
Côté des ouvertures carrées du tamis
60%
Diagonale des ouvertures du tamis
Tamisage / distr. Log.Normal
Tamisage / distr. Log.Normal
40%
20%
0%
0.1
1
10
100
Taille (mm)
Figure 5. Longueurs et largeurs analysées.
5.
Conclusion
L’analyse d’image, à partir d’observations en 2D uniquement, permet une
mesure précise de la longueur des particules de chènevotte, et, dans une moindre
mesure, lorsque ces particules conservent des fibres liées, de leur largeur. Différents
algorithmes d’analyse d’image peuvent être employés pour déterminer leur largeur,
comme le diamètre minimum de Féret ou la mesure du petit diamètre d’une ellipse
ajustée. Plusieurs paramètres de formes sont accessibles et un grand nombre de
particules peut être identifié pour procurer des résultats statistiquement robustes.
La comparaison entre tamisage et analyse d’image montre que les tamis à
mailles carrées classiquement utilisés pour des granulats minéraux, séparent les
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10
particules de chènevotte, allongées et aplaties, essentiellement selon leur largeur. De
plus, étant donné leur faible épaisseur, au regard de leur largeur, celles-ci passent les
tamis si cette largeur est inférieure à la diagonale des ouvertures carrées.
Les distributions obtenues par tamisage et analyse d’image, pour leur largeur ou
longueur, cumulées en aire ou en masse, sont unimodales et peuvent être
correctement approchées selon une loi log-normale classique. La moyenne
géométrique pondérée et l’écart type associé constituent alors les premiers
paramètres représentatifs pour caractériser ce type de granulométrie.
6.
Références
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lime composites, HIS Bre Press, 2008.
[BIT 09] BITRA V S P; WOMAC A R; CHEVANAN N; MIU P I; IGATHINATHANE C; SOKHANSANJ
S. SMITH D R. « Direct mechanical energy measures of hammer mill comminution of
switchgrass, wheat straw, and corn stover and analysis of their particle size
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[IGA 09] IGATHINATHANE C., MELIN S., SOKHANSANJ S., BI X., LIM C.J., PORDESIMO L.O.,
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[MIA 11] MIAO Z, GRIFT T.E, HANSEN A.C, TING K.C. « Energy requirement for
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[NGU 09] NGUYEN T.T., PICANDET V., AMZIANE S., BALEY C., Influence of compactness and
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[NGU 10] NGUYEN T.T., PICANDET V., CARRE P., LECOMPTE T., AMZIANE S., BALEY C., Effect
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