Le
concept de dureté des roches et des minéraux est
assez mal défini, faisant intervenir plusieurs
phénomènes physiques distincts.
Nous présenterons d'abord les diverses méthodes qui ont
été envisagées pour
cerner ce paramètre, puis nous proposerons une méthode
visant a caractériser
l'énergie spécifique des roches, par gravure à la
surface d'une plaque de roche
d'un sillon de forme définie, mesure représentative de
l'énergie nécessaire
pour usiner la roche.les
présentent en
effet
des différences considérables d'usinabilité, et la
mesure d'un paramètre
caractérisant leur difficulté de sciage a des
implications importantes dans le
domaine des carrières (sciage au câble diamanté,
havage) et de la
transformation des roches (sciage au châssis, sciage aux disques
diamantés,
polissage).
Les
roches ornementales présentent en effet des différences
considérables d'usinabilité, et la mesure d'un
paramètre caractérisant leur difficulté de sciage
a des implications importantes dans le domaine des carrières
(sciage au câble diamanté, havage) et de la transformation
des roches (sciage au châssis, sciage aux disques
diamantés, polissage).
1
- Mesures antérieures
a - Résistance
à la rayure
Fig. 1 - Dureté Mohs des minéraux usuels
Dès 1822 le minéralogiste
autrichien Friedrich Mohs proposait pour les minéraux une
échelle de dureté
allant de 1 pour le talc à 10 pour le diamant. C'est une
échelle relative et
qualitative basée sur le fait qu'un minéral correspondant
à un certain degré
raye les minéraux situés plus bas sur l'échelle,
et peut être rayé par les
minéraux d'un degré supérieur. On peut en outre
reprocher à cette méthode de
dépendre des directions cristallographiques, le cas
extrême étant celui du
disthène, qui a une dureté Mohs de 4,5
parallèlement à l'axe c, et de 7 dans la
direction perpendiculaire ; pour la calcite cette anisotropie varie de
Mohs 2 à
3 selon la direction.
Le tableau de la figure 1 donne la dureté Mohs des minéraux les plus communs. On sait que le quartz (Mohs 7) est à l'origine de la difficulté du sciage des granites et des quartzites, mais il existe des minéraux plus durs, pouvant se trouver en petite quantités dans les roches ornementales, tels le staurotide, la tourmaline, l'andalousite, le zircon, certaines spinelles. Du corindon a été déterminé dans des granites d'Espagne et de Bretagne (Bignan), ainsi que dans les calcaires lutétiens du bassin de Paris.
Des essais d'abrasion effectués par
RosiwaI
ont bien montre que l’échelle de Mohs est loin d'être
linéaire, surtout dans
les degrés élevés (fig. 2) : si l'on conserve le
degré 9 pour le corindon, le
diamant devrait avoir une valeur de 42,5. Les essais d'indexation du
type Knoop ont confirmé que le diamant devait se placer à
grande distance du
corindon, espace dans lequel se situent les matériaux ultra-durs.
Fig. 2 -
Comparaison des duretés Mohs, Rosiwal et Knoop
Fig. 3 - Mesure de
la largeur de rayure dans les roches calcaires
Pour
les roches calcaires, la méthode
indiquée par la norme NF B10 506, inspirée du
scléromètre de Martens, propose
de mesurer la dureté superficielle par la largeur d'une rayure
faite par une
pointe d'acier rapide chargée par une masse de 3 kg (fig.3) ; on
trouve des
valeurs de l'ordre de 2 mm pour les calcaires tendres, se
réduisant à 1,15 mm
en présence de calcin. On mesure environ 1 mm pour les calcaires
durs, même
0,71 mm dans le Comblanchien et 0,62 dans le calcaire de
Montalieu-Villebois.
Mais la méthode n'est pas applicable dans les roches comportant
plusieurs
minéraux, en particulier dans les granites : la rayure serait
trop étroite dans
le quartz et les silicates, et variable d'un minéral à
l'autre (on ne serait
pas en droit de faire des moyennes entre les largeurs).
b - Résistance à
l'indentation ou au poinçonnement
Ces méthodes, très
variées, sont surtout
utilisées dans les métaux, qui se déforment
plastiquement autour du poinçon.
L'outil est une sphère d'acier ou de carbure dans l'essai
Brinell, une bille
d'acier ou un cône de diamant dans l'essai Rockwell, un diamant
pyramidal dans
l’essai Vickers, etc. La méthode Knoop a été
appliquée aux minéraux ;
l'indenteur en diamant a la forme d'une
pyramide à base
losangique, la charge (P) de 10 à 200 g donne une empreinte de
petite taille,
qui est mesurée sous microscope : la plus grande diagonale D
donne la dureté
Knoop
K =14230 P/D2
Le mécanisme du
poinçonnement a été étudié par Swain
et Lawn (1976), avec des indenteurs en
carbure de tungstène ou en diamant, sur le verre et le granite.
Ils ont montré
l'existence de plusieurs étapes (fig. 4) :
- après la déformation
élastique, la descente de l'indenteur provoque des fractures
coniques, qui
débutent sur des défauts de surface si l'indenteur est
arrondi, sur des défauts
en profondeur s'il est aigu. La présence d'eau, même
à l'état de vapeur,
facilite la formation des fractures quand la vitesse de descente est
lente, et
diminue donc la résistance à la fracturation.
Les fractures produites
sont des fractures d'extension.
- pendant la remontée de
l'indenteur, les fractures précédentes se referment, mais
des fractures d'un
autre type apparaissent, qui détachent des écailles
importantes en forme de
cupules. Ce sont bien entendu ces dernières qui produisent
l'effet destructif
le plus marqué sur la roche.
Fig. 4 - Rupture
des roches en
poinçonnement
c - Méthodes de
rebondissement
Le marteau de Schmitt,
développé initialement pour tester le béton, a
aussi trouvé des applications
pour caractériser qualitativement les roches massives. Une masse
est propulsée
dans un tube par un ressort ; on mesure la hauteur de rebondissement de
la
masse après la frappe, la dureté est
évaluée selon une échelle arbitraire
allant de 0 à 100. En laboratoire, l'échantillon est
placé sur une enclume en V
de 20 kg pour éviter les pertes d'énergie ; les
résultats s'étendent de 0 pour
les roches tendres à 60 pour les plus dures.
Le scléroscope de Shore
procède d'un principe similaire, à plus petite
échelle ; le marteau, long de
3/4" et d'un diamètre de 1/4", d'une masse de 2,36 g, est garni
d'un
impacteur en diamant, avec une extrémité arrondie de
1/100". Il tombe dans
un tube en verre, d'une hauteur de 25,4 cm ; on mesure la hauteur de
rebond
après un choc sur une surface plane. Le volume de
l'échantillon doit être de
plus de 40 cm3 '' on fait une vingtaine de mesures en des
points
différents, en évitant les bords, et l'on calcule la
moyenne. La présence d'eau
dans les roches poreuses diminue la hauteur de rebond. On peut aussi
faire des
mesures répétées en un seul point, en notant le
rebond initial puis la limite
vers laquelle tend le rebond après différents chocs, ce
qui donne une idée de
la ténacité.
Pavone (1982) rapporte
que le rebondissement sur des calcaires poreux augmente pendant les
premiers
chocs, par écrasement des aspérités, puis se
stabilise à une hauteur constante.
La hauteur de rebondissement stabilisée montre une
corrélation avec le module
d'élasticité dynamique. Après un certain nombre de
chocs, la hauteur diminue
rapidement, ce qui correspond à la rupture de
l'échantillon.
On comprend qu'à partir de mesures
faites
sur les différents minéraux d'une seule roche, on ne
puisse calculer une
moyenne. Ces essais font intervenir à la fois
l'élasticité et la rupture, aussi
bien que la dureté.
d - Essais d'abrasion
Ils consistent à mesurer
le volume enlevé à l'échantillon par un disque
tournant chargé de matière abrasive
et appuyant avec une force connue. La forme des grains abrasifs est mal
contrôlée, ils tournent et se fracturent pendant l'essai,
le résultat dépend de
la manière dont l'opérateur distribue l'abrasif.
En Allemagne (DIN 52-108)
et aux Etats Unis (ASTM C 241-04-8) l'abrasif est de l'alumine ou
corindon, en
Italie (Université de Pise) il s'agit de carbure de silicium, en
Russie c'est
une meule et non plus de l'abrasif en grains. Pour les matériaux
routiers,
l'essai Los Angeles consiste à faire tourner les morceaux de
roche dans un
cylindre avec des billes d'acier, tandis que dans l'essai Deval les
morceaux
tournent de même mais sans abrasif : ils s'usent les uns les
autres par
attrition.
La méthode française pour les
roches
ornementales (norme NF B 10-508) utilise du sable fin (de
Fontainebleau),
travaillant à sec entre un disque d'acier de 200 mm de
diamètre et de 10 m
d'épaisseur d'une part, et l'échantillon d'autre part,
contre lequel il est
appliqué avec une force de 2 kgf (fig. 5). Le sable étant
constamment
renouvelé, son état d'usure n'intervient pas;
après un parcours périphérique de
47,1 m, la longueur de l'empreinte est mesurée. La pression
n'est pas constante
pendant l'essai, puisque l'empreinte s'élargit. La norme
recommande pour les
revêtements de sols subissant un passage intense de
piétons des roches dont
l'empreinte est inférieure à 28 mm ; pour un trafic
normal elle de doit pas
dépasser 37 mm, et pour les locaux individuels on admet des
valeurs jusqu'à 47
mm. La figure 6 indique quelques résultats que nous avons obtenu
sur des roches
ornementales diverses.
Fig. 5 - Mesure de
la résistance à l'abrasion par le sable sec
Fig. 6 - Résultats obtenus avec l'appareil de
la figure 5
Des essais de sablage ont
aussi été proposés, en propulsant un abrasif par
de l'air comprimé. Il semble
que l'efficacité du sablage dépende plus de
l'angulosité des fragments que de
la nature de l'abrasif. Verhoef (1987), utilisant du sable siliceux,
montre que
les pertes de volume de la roche croissent exponentiellement avec la
vitesse
des particules ; les fragments sont
arrachés préférentiellement selon les
microfractures des cristaux et le long
des joints entre grains. Le volume enlevé montre une certaine
corrélation avec
l'essai brésilien de résistance à l'extension.
Au total tous les essais
précédents sont purement empiriques, mais, ce qui est
plus gênant, c'est que
leurs résultats ne sont nullement comparables entre eux car
l'abrasif, le
fluide d'entraînement (eau, huile, air), la pression et la
distance parcourue
varient pour chaque méthode. Il conviendrait à notre avis
de mettre au point
une méthode d'usure employant non pas une poudre abrasive, dont
l'angulosité
est variable et mal connue, mais une meule diamantée
spécialement sélectionnée
dont on contrôlerait l’avivage, c'est à dire la protrusion
des diamants au
dessus de la matrice de carbure ; cette méthode aurait
l'avantage de se rapprocher
des conditions d'usinage (sciage et polissage).
Quelques essais de
sciabilité ont été effectués en mesurant
les paramètres de sciage au disque
diamanté, qui ont conduit à créer des
échelles pour les granites (voir Perrier,
1993) ; la possibilité de scier les granites par passes
profondes est en cours
d'étude en Italie, dans le cadre d'un projet de recherche
européen (Pedrini
,1996).
e - L'action des
outils tranchants
Dans les
méthodes
précédentes l'outil usant la roche est formé de
grains abrasifs, choisis si
possible parmi les matériaux durs, présentant une
angularité mal définie et une
orientation quelconque. On emploie aussi dans le travail des roches des
outils
tranchants, ayant une géométrie définie,
travaillant soit par poussée continue,
soit par chocs.
Fig. 7 - Angles d'affûtage
Le premier cas est celui des plaquettes de haveuses et d'appareils de forage rotary. Les angles classiques d'affûtage sont (fig. 7) :
- la dépouille g, qui réduit les frottements au fond
de
l'entaille,
- le taillant b : si cet angle est faible, la
pénétration
dans la roche et la formation de gros éclats est
facilitée, mais le biseau est
fragile,.
- l'angle d'affûtage a, qui est le complément à
90°, et peut être
négatif.
Le biseau des outils
manuels pour le travail des marbres et calcaires est aigu, par contre
il est
arrondi pour le travail des roches siliceuses, afin d'éviter un
ébrèchement
trop rapide.
Dans le travail des
métaux, les outils tranchants produisent des copeaux, plus ou
moins continus
selon la plasticité du métal. Dans les roches, qui toutes
sont fragiles, les
outils ne produisent que des éclats, avec des saccades
correspondant aux
ruptures successives, qui produisent des vibrations. Nishimatsu (1971)
a bien
montré ce mécanisme (fig. 8) :
Fig.
8 - Mécanisme de la rupture par un outil tranchant en mouvement
continu, selon Nishimatsu (1971)
- dans un premier temps,
la roche est écrasée le long du biseau en a, tendant
à adhérer à l'outil,
- puis un éclat de grande
taille se détache à partir du point A : à noter
que ce n'est pas le biseau de
l'outil qui fait débuter l'écaille, mais la zone
écrasée en avant du biseau.
L'écaille peut descendre au dessous de la trajectoire du
biseau,
laissant une zone indemne b, qui sera broyée ensuite par l'outil.
Il en résulte un état de
surface très rugueux au fond de l'entaille. La contrainte sur
l'outil est forte
pendant la première phase de broyage, puis est elle se
relâche brusquement au
départ de
l'écaille, d'où un important mouvement de
broutage et des vibrations. L'effort moyen sur l'outil est, selon cet
auteur,
proportionnel à la profondeur de la passe et à la
résistance au cisaillement de
la roche, l'angle d'affûtage intervenant de manière plus
complexe.
Depuis l'apparition de
plaquettes de diamant polycristallin, des outils de forage rotary
emploient des
plaquettes rondes, qui ont largement augmenté la durée de
vie des outils.
Glowka (1989) a trouvé une relation entre la force verticale sur
l'outil F et
la profondeur de passe d :
F = C AW d n
dans laquelle Aw
est la surface usée par l'outil, C et n des coefficients
empiriques. En forage,
l'outil s'échauffe considérablement (300°C en forage
à la boue, 700°C en forage
à l'air), alors que le support en carbure de tungstène et
cobalt voit ses
propriétés amoindries à partir de 350°C. On
connaît des exemples dans lesquels
les déblais de forage montrent des indices de
métamorphisme.
L'action des outils tranchants
percutants, tels que ceux des marteaux perforateurs, a
été étudiée par
plusieurs auteurs aux Etats Unis. La relation d'Hustrulid (White, 1969)
relie
la vitesse de pénétration V à l'énergie de
chaque choc (Ec), à la
fréquence des coups (f), à la surface du fond de trou
(S), au rapport de
l'énergie transférée à la roche sur
l'énergie d'un choc (R) et à l'énergie
nécessaire pour enlever un volume unitaire de roche, ou Energie
Spécifique (Es):
V = k Ec F R/Es
S
La destruction de la
roche par le choc du taillant est analysée par White de
manière similaire à
l'effet de poinçon (fig. 9) : au début du choc, la roche
est comprimée
élastiquement sous le taillant tandis qu'à distance se
forment des fractures
radiales (a). La roche comprimée sous le taillant
s'écrase ensuite brusquement
et se pulvérise (b). Quand le taillant commence à
rebondir, les parties
périphériques se détachent en grandes
écailles (c et d), il reste une surface
rugueuse avec des coins de roche pulvérisées. L'auteur a
recherché des
corrélations entre le temps mis pour forer un pied par une
petite machine de
laboratoire et d'autres propriétés physiques des roches,
sans grand succès.
Fig. 9 - Mécanisme de la
rupture par un outil à percussion (d'après White, 1969)
2 - L'appareil
utilisé
Au vu des travaux
antérieurs, qui montrent la variété des
paramètres intervenant dans le concept
de "dureté", il nous a paru intéressant de mesurer
plutôt l'énergie
spécifique de la roche, qui représente le travail
nécessaire à la réduction en
fragments d'un volume unitaire : cette énergie dépend de
la taille des
fragments, et nous avons choisi de nous rapprocher de la taille des
débris
produits par les outils diamantés habituels.
L'appareil grave une
rayure rectiligne de profil défini sur une surface plane de la
roche ; l'outil
est affûté avec une géométrie
déterminée, on mesure l'effort sur l'outil
parallèlement à la direction de déplacement.
Il serait également
possible de faire ces mesures sur un tour, avec un déplacement
relatif
hélicoïdal de l'outil, mais au prix d'une
préparation assez longue
d'échantillons cylindriques; le déplacement rectiligne
sur une face plane, a
l'avantage d'une préparation simplifiée puisque
l'industrie de la pierre
fournie des plaquettes bien planes et polies.
Une mesure de la force
normale exercée sur l'outil pourrait être envisagée
; cette force est
indispensable pour assurer la pénétration de l'outil dans
la roche, mais elle
est passive, et absorbée par le bâti des machines. Par
contre la force
parallèle, ou tangentielle, représente bien mieux
l'énergie fournie par les
moteurs des machines, qui se transforme (aux pertes de transmissions
près) en
énergie de destruction de la roche. Il y a donc une relation
directe entre
énergie spécifique d'une roche et consommation
électrique des machines.
2.1 - Réalisation mécanique (fig. 10)
Fig. 10 -
Schéma de la partie mécanique de l'appareil proposé
Le chariot coulissant
dans ses glissières comporte un plateau rectifié, avec un
espace axial pour le
passage de l'outil ; l'échantillon est placé avec sa face
plane à mesurer sur
le plateau, il est maintenu fermement par une plaque d'appui et 4 ou 6
vis de
pression ; la longueur de l'échantillon peut atteindre 200 mm,
son épaisseur de
22 mm, sa largeur n'est pas limitée. Une précaution
à prendre avant de placer
l'échantillon est d'aménager un biseau pour éviter
un choc brutal de l'outil au
moment du contact.
Le chariot est
entraîné par une vis M10 au pas de 1,5 mm,
accouplée à un moteur électrique
monophasé de 0,55 kW (1420 t/mn) ; des interrupteurs de fin de
course limitent
le déplacement du chariot, l'énergie cinétique
étant absorbée par des tampons
de caoutchouc. Avec ces paramètres la vitesse du chariot est
constante quels
que soient les efforts de coupe, et d'une valeur de 35,5 mm/s.
L'outil est une plaquette
de diamant polycristallin (PCD) de fabrication De Beers, en forme de carré de 5 x 5 mm ; son
épaisseur
est de 0,56 mm, elle est brasée sur un support en carbure de 2,5
mm. L'atelier
spécialisé qui l'a montée a réalisé
un affûtage avec un angle de dépouille de
5°, et arrondi les angles suivant un rayon voisin de 0,5 mm.
L'outil est fixé
dans la rainure du porte-outils par un doigt de pression ; la plaquette
peut
être tournée et chacun des quatre sommets utilisé
tout à tour.
Fig. 11 - Surface de la rainure de la plaquette PCD utilisée en
fonction de la largeur de rainure
Le porte-outils,
d'une longueur de 100 mm, est placé sur un axe transverse
excentrique : la
rotation de cet axe à l'aide d'un bras placé à une
extrémité permet de régler
avec précision la hauteur de la pointe, et assurer ainsi une
rainure de largeur
déterminée.
Pour la plaquette
utilisée, la surface de rainure correspond à celle d'un
segment circulaire de
0,375 mm de rayon réel (contrôlé au microscope)
augmentée de celle d'un trapèze
: elle atteint 0,22 mm2 pour une largeur de 1 mm ( voir
figure 11).
En vue d'assurer une précision convenable à la mesure, la
largeur de rainure
est contrôlée sous microscope : comme les rainures dans
les roches sont
toujours plus ou moins ébréchées à cause de
leur fragilité, on emploie pour ce
réglage une plaque d'alliage d'aluminium bien plane, de 10 ou 12
mm
d'épaisseur.
2.2 - Capteur
de force
A mi-hauteur de l'outil
est fixé un anneau d'alliage d'aluminium de 50 mm de
diamètre extérieur et de
10 mm de largeur. La fixation comporte un étrier et une vis de
pression assurant
un contact ponctuel, de telle manière qu'au repos aucune
contrainte ne soit
imposée à l'anneau.
L'épaisseur de l'anneau
conditionne sa déformabilité, donc la gamme de la mesure
; pour notre
application une épaisseur de 5 mm a été retenue.
L'autre côté de l'anneau est
relié au châssis par une fixation similaire. Sur
l'extérieur de l'anneau sont
collées deux jauges de contrainte Kyowa de 8 x 28 mm (120 W).
Ces deux jauges sont
insérées dans un pont de Wheatstone alimenté par
une tension constante de 6
volts, l'équilibre du pont est assuré par un double
potentiomètre de 200 et 24 W.
Le signal de déséquilibre du pont est écrêté par deux transistors NPN, puis fortement amplifié par un amplificateur opérationnel différentiel quadruple de Linear Technology (LT 1014) ; le gain est réglé par un potentiomètre de 2 RW. Un autre potentiomètre de 500 W, accessible de l'extérieur, permet de régler le zéro de l'appareillage en sortie.
Le capteur de force est
étalonné par un dispositif à levier avec un
rapport de 1/10 (fig. 12). Les
poids sont accrochés au bout du bras, sans dépasser la
limite élastique de
l'anneau, soit environ 15 kg pour un anneau de 5 mm d'épaisseur.
On règle le
gain pour obtenir 4 volts à la sortie de l'amplificateur : la
charge de 15 kg
correspond à 150 kgf sur l'anneau. Lorsque ce dernier est mis en
place sur le
porte-outils, le bras de levier étant de 2/1, la force
exercée sur la pointe de
l'outil serait de 75 kgf, soit 735,7 N.
Fig. 12 - Dispositif d'étalonnage du capteur de force, et exemple d'étalonnage
Un galvanomètre gradué de
0 à 100 unités, placé en façade, permet
d'apprécier qualitativement la force
sur l'outil. Cependant cette force étant rapidement variable
pour les roches,
il est préférable d'enregistrer la tension de sortie de
l'amplificateur.
Pour cela notre chaîne de
mesure comprend un oscilloscope numérique à 50 Mhz,
relié à un micro-ordinateur
par une liaison série isolée optiquement, les
écrans du PC peuvent ensuite être
enregistrés sous forme de fichiers numériques et
imprimés.
Le second étalonnage est
celui de la largeur de rainure ; le bras en bout de l'axe
excentré du
porte-outil permet d'ajuster la hauteur de pointe ; une plaque
d'aluminium est
fixée sur le chariot, un sillon est gravé, on l'examine
sous microscope au
grossissement de 32 avec un oculaire micrométrique : une
division de notre oculaire
représentant 25 µm, si la largeur est réglée
à ± 1/2 division, la précision sur
la surface est de l'ordre de ± 3,5 %. Après une
série d'essais sur roches, la
largeur de rainure est vérifiée à nouveau avec la
plaque d'aluminium, et
périodiquement l'état de l'arête coupante est
contrôlé à la loupe.
2.4 - Mesures
effectuées
Dans une première série de mesures nous avons effectué des rayures sur une large gamme de calcaires et de marbres, sur de l'albâtre gypseux, un grès, un quartzite (Macauba) et deux granites (Ghiandone et Tarn). Ces derniers tests ayant ébréché sérieusement le diamant polycristallin, la seconde série de mesures a exclu les quartzites et granites (fig. 13).
Fig. 13 - Résultats de mesure
La mesure de la force
exercée par le rainurage de l'alliage d'aluminium s'est
avérée beaucoup plus
élevée que celle des roches (446 N contre environ 160 N
dans les granites), il
a fallu de ce fait choisir un gain plus faible pour l'aluminium et plus
élevé
pour les roches.
L'aluminium produit un
copeau régulier, enroulé en hélice, le sillon est
lisse et sans arrachements de
métal tant que l'outil est en bon état. L'enregistrement
du signal du capteur
de force montre une forme régulière, l'amplitude ne
dépend que des
irrégularités de la largeur du sillon, liées aux
inégalités de surface.
Sur les roches, les bords
du sillon montrent de nombreux éclats, de taille variable selon
les roches :
les plus importants éclats, d'aspect conchoïdal (fig. 14)
se forment sur les
calcaires à grain fin comme le Comblanchien et le calcaire de
Solnhofen (Bavière).
A l'extrémité du sillon l'outil provoque l'arrachement
d'un éclat conique. Les
enregistrements montrent un tracé irrégulier (fig. 15),
lié au départ des
éclats, à la traversée de grains plus durs
(Beaulieu) ou à des irrégularités de
cimentation.
Fig.
14 - Exemples d'ébréchures des bords de rainures. En
haut, dans le calcaire à grain fin de Comblanchien, les
éclats conchoïdaux sont nombreux ; les fines rayures
correspondent à des défauts de polissage. En bas, dans le
marbre à très gros grain Asia, les bords sont peu
ébréchés. L'outil se déplace de gauche
à droite, la barre blanche représente 10 mm.
La force variant
constamment au cours de la gravure du sillon, on obtient la force
moyenne par
intégration. Les valeurs moyennes obtenues varient entre 23 N
pour l'albâtre
gypseux et environ 160 N pour les deux granites, mais cette
dernière valeur
n'est qu'un ordre de grandeur car l'arête coupante a
été endommagée au cours de
leur test.
Fig. 15 - Enregistrements sur alliage d'aluminium et roches
Le calcul de l'énergie
spécifique consiste à évaluer le produit de la
force moyenne par le déplacement
pour un volume unité. Avec la plaquette de diamant
utilisée, la surface d'un
sillon de 1 mm de large est de 0,22 mm2 ; le volume d'un
sillon de 1
m de long serait de 220 mm3, soit 220.10-9 m3
), l'énergie spécifique en unités du S.l. est alors
Es
(joule. m-3) = Force (N) * Déplacement (m) / volume (m3)
= F. 10 3 / 220.10-9
Es (Mj.m-3) =
4,54 * F
Noter que le mégajoule
par mètre cube est égal au joule par centimètre
cube. La gamme des résultats
est reportée sur la figure 16. Les deux calcaires poreux
(Beaulieu et
Chauvigny), le grès calcaire à grain fin (Pietra serena
de Toscane) et
l'albâtre se trouvent aux environs de 100 Mj.
Fig. 16 - Tableau de
l'énergie spécifique des roches étudiées
Les calcaires marbriers (Comblanchien de Bourgogne, Portorod'Italie, Noir de Denée en Belgique) se situent entre 160 et 280 unités. Les marbres (Afyon à grain fin de Turquie, Carrare, Borba du Portugal) et Asia de Turquie (grains centimétriques) se retrouvent dans la même gamme, avec une exception pour le Trigaxes, marbre portugais à gros grain (110). Loin au dessus (vers 730) se placent les granites(Ghiandone et Tarn).
L'aluminium, qui avoisine
1580 unités, se trouve largement au delà des granites, il
demande donc beaucoup
plus d'énergie pour son usinage que toutes les roches
testées.
En conclusion, cet
appareil différencie bien les roches en fonction de leur
difficulté d'usinage.
Il pourrait remplacer un certain nombre de tests comme la largeur de
rayure,
l'abrasion, l'usure au disque, en se rapprochant des
préoccupations de
l'industrie de transformation de la pierre, qui souhaite pouvoir
quantifier la
difficulté de havage et de sciage.
Naturellement des essais plus larges
devraient être entrepris, en association avec des essais en grandeur réelle de havage et sciage,
sachant
que pour les roches siliceuses (quartzites et granites en particulier)
il
faudra renouveler fréquemment l’arête de l’outil PCD.