Sable

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Contexte

Le sable est un matériau meuble, fragmenté et naturel composé de très petites particules de roches, de coraux ou de coquillages décomposés. Le sable est utilisé pour fournir du volume, de la résistance et d'autres propriétés aux matériaux de construction comme l'asphalte et le béton. Il est également utilisé comme matériau de décoration en aménagement paysager. Des types spécifiques de sable sont utilisés dans la fabrication du verre et comme matériau de moulage pour la coulée des métaux. D'autres sables sont utilisés comme abrasifs dans le sablage et pour fabriquer du papier de verre.

Le sable a été utilisé dès 6000 BC. pour meuler et polir des pierres pour fabriquer des outils affûtés et d'autres objets. Les pierres ont été frottées sur un morceau de grès mouillé pour affiner le tranchant. Dans certains cas, du sable meuble était dispersé sur un rocher plat et des objets étaient frottés contre la surface sablonneuse pour les lisser. Les premières perles avec une glaçure de verre sont apparues en Égypte vers 3 500 à 3 000 av. Le verre était fabriqué en faisant fondre du sable, bien que le verre naturel formé par l'activité volcanique était probablement connu bien avant cette époque.

Aux États-Unis, le sable a été utilisé pour produire du verre dès 1607 avec la fondation de l'éphémère colonie de Jamestown en Virginie. La première entreprise verrière soutenue a été formée en 1739 à Wistarburgh, New Jersey, par Caspar Wistar. La production de sable à des fins de construction a considérablement augmenté avec la poussée des routes pavées pendant la Première Guerre mondiale et dans les années 1920. Le boom immobilier de la fin des années 40 et du début des années 50, conjugué à l'utilisation accrue du béton pour la construction de bâtiments, a donné une nouvelle impulsion à la production.

Aujourd'hui, le traitement du sable est une entreprise de plusieurs milliards de dollars avec des opérations allant de très petites usines fournissant du sable et du gravier à quelques entrepreneurs en construction locaux à de très grandes usines hautement automatisées fournissant des centaines de camions de sable par jour à une grande variété de clients sur un vaste territoire.

Matières premières

Le sable le plus courant est composé de particules de quartz et de feldspath. Les particules de sable de quartz sont incolores ou légèrement roses, tandis que le sable de feldspath a une couleur rose ou ambrée. Les sables noirs, comme ceux trouvés à Hawaï, sont composés de particules d'obsidienne formées par l'activité volcanique. D'autres sables noirs comprennent des matériaux tels que la magnétite et l'hombende. Les sables de corail sont blancs ou gris, et les sables composés de fragments de coquillages brisés sont généralement brun clair. Les sables blancs du golfe du Mexique sont constitués de particules de calcaire lisses appelées oolite, dérivé du mot grec signifiant pierre d'œuf. Les sables blancs de White Sands, au Nouveau-Mexique, sont constitués de cristaux de gypse. Normalement, le gypse est dissous par l'eau de pluie, mais la zone autour de White Sands est si aride que les cristaux survivent pour former des dunes ondulantes.

Les sables de quartz, riches en silice, sont utilisés pour fabriquer du verre. Lorsque les sables de quartz sont broyés, ils produisent des particules aux arêtes vives et angulaires qui sont parfois utilisées pour fabriquer du papier de verre pour le lissage du bois. On trouve du sable de quartz sous forme de grès. Le grès est un matériau sédimentaire ressemblant à de la roche formé sous pression et composé de particules de sable maintenues ensemble par un matériau de cimentation tel que le carbonate de calcium. Quelques grès sont composés de particules de quartz presque pur et sont la source du silicium utilisé pour fabriquer des puces de silicium semi-conducteur pour les microprocesseurs.

Les sables de moulage, ou sables de fonderie, sont utilisés pour la coulée des métaux. Ils sont composés d'environ 80%-92% de silice, jusqu'à 15% d'alumine, et 2% oxyde de fer. La teneur en alumine confère au sable de moulage les propriétés de liaison appropriées requises pour conserver la forme de la cavité du moule.

Le sable qui est ramassé sur la rive d'une rivière et qui n'est ni lavé ni trié de quelque façon que ce soit est connu sous le nom de sable de ruissellement. Il est utilisé dans la construction générale et l'aménagement paysager.

La définition de la taille des particules de sable varie, mais en général, le sable contient des particules mesurant environ 0,0025 à 0,08 po (0,063 à 2,0 mm) de diamètre. Les particules plus petites que cela sont classées comme du limon. Les particules plus grosses sont soit des granulés, soit du gravier, selon leur taille. Dans le secteur de la construction, tous les matériaux d'agrégat avec des particules inférieures à 0,25 po (6,4 mm) sont classés comme des agrégats fins. Cela inclut le sable. Les matériaux contenant des particules de 0,25 po (6,4 mm) à environ 6,0 po (15,2 cm) sont classés comme des agrégats grossiers.

Le sable a une densité de 2 600 à 3 100 lb par mètre cube (1 538 à 1 842 kg par mètre cube). La teneur en eau piégée entre les particules de sable peut faire varier considérablement la densité.

Le processus de fabrication

La préparation du sable se compose de cinq processus de base :la décomposition naturelle, l'extraction, le tri, le lavage et, dans certains cas, le concassage. Le premier processus, la décomposition naturelle, prend généralement des millions d'années. Les autres processus prennent beaucoup moins de temps.

L'usine de traitement est située à proximité immédiate du gisement naturel de matière afin de minimiser les coûts de transport. Si l'usine est située à côté d'une dune de sable ou d'une plage, l'usine peut traiter uniquement du sable. S'il est situé à côté du lit d'une rivière, il traitera généralement à la fois du sable et du gravier car les deux matériaux sont souvent mélangés. La plupart des usines sont stationnaires et peuvent fonctionner au même endroit pendant des décennies. Certaines usines sont mobiles et peuvent être divisées en composants séparés pour être remorquées jusqu'au site de la carrière. Les usines mobiles sont utilisées pour les projets de construction éloignés, où il n'y a pas d'usines fixes à proximité.

La capacité de l'usine de transformation est mesurée en tonnes par heure de production de produit fini. Les usines stationnaires peuvent produire plusieurs milliers de tonnes par heure. Les usines mobiles sont plus petites et leur production est généralement de l'ordre de 50 à 500 tonnes (50,8 à 508 tonnes métriques) par heure.

Dans de nombreux endroits, une usine de production d'asphalte ou une usine de béton prêt à l'emploi fonctionne sur le même site que l'usine de sable et de gravier. Dans ces cas, une grande partie de la production de sable et de gravier est acheminée directement dans les stocks des usines d'asphalte et de béton.

Les étapes suivantes sont couramment utilisées pour traiter le sable et le gravier à des fins de construction.

Décomposition naturelle

• 1 La roche solide est décomposée en morceaux par des forces mécaniques naturelles telles que le mouvement des glaciers, l'expansion de l'eau dans les fissures pendant le gel et les impacts des roches tombant les unes sur les autres.
• 2 Les morceaux de roche sont encore décomposés en grains par l'action chimique de la végétation et de la pluie combinée à des impacts mécaniques à mesure que les particules de plus en plus petites sont transportées et usées par le vent et l'eau.
• 3 Au fur et à mesure que les grains de roche sont transportés dans les cours d'eau, certains se déposent le long de la berge, tandis que d'autres finissent par atteindre la mer, où ils peuvent se joindre à des fragments de corail ou de coquillages pour former des plages. Le sable transporté par le vent peut former des dunes.

Extraction

• 4 L'extraction du sable peut être aussi simple que de le ramasser de la berge avec un véhicule à pneus en caoutchouc appelé chargeur frontal. Une partie du sable est extraite sous l'eau à l'aide de dragues flottantes. Ces dragues ont une longue flèche avec une tête de coupe rotative pour desserrer les dépôts de sable et un tuyau d'aspiration pour aspirer le sable.
• 5 Si le sable est extrait avec un chargeur frontal, il est ensuite déversé dans un camion ou un train, ou placé sur une bande transporteuse pour être transporté vers l'usine de traitement à proximité. Si le sable est extrait sous l'eau avec une drague, la boue de sable et d'eau est pompée à travers un pipeline jusqu'à l'usine.

Tri

• 6 Dans l'usine de traitement, le matériau entrant est d'abord mélangé avec de l'eau, s'il n'est pas déjà mélangé dans le cadre d'une suspension, et est déchargé à travers un grand tamis perforé dans le chargeur pour séparer les roches, les morceaux d'argile, bâtons et autres matières étrangères. Si le matériau est fortement lié avec de l'argile ou de la terre, il peut alors passer par un broyeur à lames qui le divise en morceaux plus petits.
• 7 Le matériau passe ensuite à travers plusieurs tamis ou plaques perforés avec différents diamètres de trous ou ouvertures pour séparer les particules selon leur taille. Les écrans ou plaques mesurent jusqu'à 3,1 m (10 pi) de large sur 8,5 m (28 pi) de long et sont inclinés à un angle d'environ 20 à 45 degrés par rapport à l'horizontale. Ils sont vibrés pour permettre au matériau piégé à chaque niveau de sortir de l'extrémité du tamis et sur des bandes transporteuses séparées. Le tamis le plus grossier, avec les trous les plus grands, est sur le dessus, et les tamis en dessous ont des trous de plus en plus petits.

Lavage

• 8 Le matériau qui sort du tamis le plus grossier est lavé dans une laveuse à bûches avant d'être encore tamisé. Le nom de cette pièce d'équipement vient de la pratique initiale consistant à mettre de courtes longueurs de bûches de bois à l'intérieur d'un tambour rotatif rempli de sable et de gravier pour ajouter à l'action de récurage. Une laveuse de bûches moderne se compose d'une auge horizontale légèrement inclinée avec des lames à rotation lente fixées à un arbre qui descend dans l'axe de l'auge. Les lames barattent le matériau lorsqu'il traverse le bac pour éliminer toute argile ou sol mou restant. Les plus grosses particules de gravier sont séparées et tamisées en différentes tailles, tandis que toutes les plus petites particules de sable qui ont été attachées au gravier peuvent être ramenées et ajoutées au flux de matériau entrant.
• 9 Le matériau qui sort du ou des tamis intermédiaires peut être stocké et mélangé avec du gravier plus grossier ou du sable plus fin pour faire divers mélanges d'agrégats.
• 10 L'eau et les matières qui passent à travers le tamis le plus fin sont pompées dans un bac horizontal de classement du sable. Au fur et à mesure que le mélange s'écoule d'un bout à l'autre du réservoir, le sable coule au fond où il est piégé dans une série de bacs. Les particules de sable les plus grosses et les plus lourdes tombent en premier, suivies par les particules de sable progressivement plus petites, tandis que les particules de limon plus légères sont emportées dans le flux d'eau. L'eau et le limon sont ensuite pompés hors du réservoir de classification et à travers un clarificateur où le limon se dépose au fond et est éliminé. L'eau claire est recirculée vers le doseur pour être réutilisée.
• 11 Le sable est retiré des bacs au fond du réservoir de classification avec des vis de déshydratation rotatives qui déplacent lentement le sable vers l'intérieur d'un cylindre incliné. Les sables de tailles différentes sont ensuite lavés à nouveau pour éliminer tout limon restant et sont transportés par des bandes transporteuses vers des piles de stockage pour le stockage.

Écrasement

• 12 Une partie du sable est broyée pour produire une taille ou une forme spécifique qui n'est pas disponible naturellement. Le concasseur peut être du type à cône rotatif dans lequel le sable tombe entre un cône rotatif supérieur et un cône fixe inférieur qui sont séparés par une très faible distance. Toutes les particules plus grandes que cette distance de séparation sont écrasées entre les cônes de métaux lourds et les particules résultantes tombent au fond.

Contrôle qualité

La plupart des grandes usines de traitement d'agrégats utilisent un ordinateur pour contrôler le flux de matériaux. Le taux d'alimentation du matériau entrant, le taux de vibration des cribles de tri et le débit de l'eau à travers le réservoir de classification du sable déterminent tous les proportions des produits finis et doivent être surveillés et contrôlés. De nombreuses spécifications pour les mélanges d'asphalte et de béton nécessitent une certaine répartition des tailles et des formes des granulats, et le producteur de granulats doit La préparation du sable comprend cinq processus de base :la décomposition naturelle, l'extraction, le tri, le lavage et, dans certains cas, écrasement. Le sable est extrait de l'emplacement où il se produit soit par une drague flottante, soit par un chargeur frontal. La drague fournit une boue de sable et d'eau à l'usine de traitement via un pipeline, tandis que le chargeur frontal ramasse simplement le sable dans des camions ou sur des bandes transporteuses pour le transporter vers l'usine. Le sable est trié à travers une série de tamis qui séparent les particules de tailles différentes. Le sable est lavé et les plus petites particules sont envoyées au réservoir de classification du sable, où les particules sont ensuite séparées. Certaines particules peuvent être écrasées si des particules plus petites sont nécessaires. s'assurer que le sable et le gravier répondent à ces spécifications.

Le futur

La production de sable et de gravier dans de nombreuses régions est soumise à des restrictions de plus en plus strictes. L'Army Corps of Engineers des États-Unis, opérant en vertu de la Federal Clean Water Act, a exigé des permis pour l'extraction de sable des rivières, ruisseaux et autres cours d'eau. Le coût des études spéciales nécessaires à l'obtention de ces permis est souvent trop élevé pour permettre aux petites entreprises de poursuivre leurs activités. Dans d'autres cas, le développement résidentiel à proximité des usines de traitement d'agrégats existantes a entraîné des restrictions concernant le bruit, la poussière et la circulation des camions. Le résultat global de ces restrictions dans certaines zones est que le sable et le gravier utilisés pour la construction devront être transportés de l'extérieur de la zone à un coût considérablement accru à l'avenir.