Les méthodes de polissage, les abrasifs et les machines-outils

Les variétés de granites et la composition minéralogique

Les granites se différentient globalement par leur couleur (paramètre important lors de la commercialisation) et leur microstructure (taille du grain et sa structure cristallographique). Les couleurs du granite peuvent être blanche, grise, jaune, bleutée, rose, ou rouge selon leur histoire géologique. Ainsi, on distingue les granitoïdes, les granodiorites, les gneiss et les migmatites. Leur classement dépend de la taille des grains (Tableau 1.1). Globalement les granites se subdivisent en deux groupes selon leur composition chimique : le granite alcalin sodique (ou sodi-potassiques) et le granite calco-alcalin. Le granite alcalin sodique est constitué de peu de feldpaths plagioclastes, du quartz en abondance, du feldspath orthose, de l’amphibole sodique, du pyroxène sodique, de l’apatite, du zircon et de la tourmaline. Il est pauvre en calcium, en aluminium, ou en magnésium et riche en minéraux rares notamment la fluorite, la monazite, le pyrochlore et la cryolithe. Par contre, les granites calco-alcalins comporte un pourcentage élevé de plagioclastes, de feldspaths alcalins, de feldspaths microclines, de quartz, de biotite, de sphène, de zircon magnétite, et de magnétite. Les granites se classent aussi selon leur richesse en minéraux alumineux et ferro-magnésiens. Les géologues les divisent en trois familles comprenant les granites hololeucocrates (forte proportion en quartz feldspathique), les granites mésocrates (biotite et muscovite) et les granites à amphibole (ou à pyroxène). Toutefois, la composition moyenne d’un granite ordinaire est de 70 à 77% de SiO2, 11 à 15% de Al2O3, 3 à 5% de K2O, 3 à 5% de Na2O, 2 à 3% de Fe, 1% de CaO, moins de 1% de MgO et TiO2.

L’émission des poussières au cours de l’usinage et du polissage

La physique du polissage diffère de la physique de l’usinage où l’outil de coupe a une géométrie définie. La meule se présente comme de micro-outils de coupe qui enlèvent successivement la matière à chaque passage. La complexité du polissage est liée au comportement mécanique des grains abrasifs qui, selon la géométrie enlève la matière différemment. Par contre en usinage conventionnel, Songmene et al (2008) montre que pour un outil de coupe à géométrie déterminée, les modes de génération des poussières sont connus pour les matériaux métalliques (6061-T6, A356, AZ91E et du laiton 70-30). Ils identifient cinq zones de génération des poussières (Figure 1.4). La première zone est celle du cisaillement primaire où les poussières sont générés par l’action du cisaillement du bec de l’outil de coupe sur la matière. Cette zone présente les températures les plus élevées. La deuxième zone se présente est très influencée par les grandes déformations et l’amorce de friction du copeau avec la face de coupe de l’outil. La troisième zone est le contact permanent la face de coupe de l’outil et le copeau. Ici, les poussières sont générées par le frottement et le mouvement du copeau ou de l’outil. La quatrième zone est délimitée par le contact de la face de dépouille de l’outil et la surface usinée de la pièce. Les poussières sont produites par le frottement. La cinquième zone est le contact interne entre les parties du copeau éjecté par le mouvement de coupe.

La génération des poussières se fait par le frottement interne surtout pour les copeaux longs. Cette description physique des modes de génération sont limités aux matériaux métalliques présentant une ductilité élevée. Dans le cas des matériaux fragiles usinés avec des outils de coupe conventionnels, Astakhov et al (1997) fournit une autre description qui rompt avec le modèle de Songmene et al (2008). Les auteurs font une distinction remarquable entre le mode de génération des outils à angle de coupe positif (Figure 1.5) et des outils à angle de coupe négatif (Figure 1.6). Les outils à angle de coupe positif ont tendance à réaliser le cisaillement de la matière alors que les outils à angle de coupe négatif écrasent la matière par une compression simple. Ainsi, dans le premier cas, les copeaux seront grossiers alors que pour le second cas les copeaux sont plus réduits en termes de tailles. Alors on peut parler de poussières qui peuvent se détacher et se disperser dans l’air ambiant. Les appareils de la qualité de l’air aspirent les poussières émises pour estimer les concentrations massiques ou les concentrations numériques. Astakhov et al (1997) estiment que les outils à angle de coupe positif génèreront moins de poussières totales que les outils à angle de coupe positif. Ces auteurs justifient leur résultat par la grosseur du copeau produit et le mode d’action de l’outil de coupe. Dans le cadre de la caractérisation des poussières d’usinage, Songmene et al (2008), Khettabi et al, (2009), et Zaghbani et al, (2009) ont également développé des modèles prédiction des poussières d’usinage exprimés sous la forme du «dust unit» défini comme le rapport entre la masse totale de poussières mesurée par la masse des copeaux.

Les hypothèses et les équations générales de dilution des particules

Les hypothèses sont les mêmes que ceux de Giechaskiel, (2009b). L’équation 1.7 permet la comptabilisation numérique des aérosols dans le système de dilution. La somme numérique de particules contenues dans l’air «pollué», de particules contenues dans l’air «propre», de particules générées par unité de temps, soustrait de particules perdus par les effets de la dilution est égale au nombre de particules comptabilisés en sortie du diluteur : Les auteurs Maricq et al (2001), Kittelson et al (2000), Abdul-Khalek et al (1999) ont montré que les pertes numériques d’aérosols pouvaient influencer le résultat de la dilution des aérosols. Hinds (1999) présente les cinq mécanismes susceptibles d’entraîner une déposition de particules sur les parois d’un tube d’échantillonnage. L’auteur distingue notamment la sédimentation, la thermophorèse, l’attraction électrique, l’impaction inertielle et la diffusion. Les facteurs influençant les pertes numériques d’aérosols sont la phase de l’aérosol (solide ou liquide), la charge électrique de l’aérosol et des parois du tube, le flux libre de la vitesse de l’écoulement au moment de l’aspiration, la vitesse de l’écoulement, le régime d’écoulement (laminaire ou turbulent), la présence d’une zone de perte de charge singulière (coude, réduction, té), la taille, la forme et la densité de l’aérosol. Les particules de taille comprise entre 20 et 100 nm sont difficilement échantillonnées dans un système de dilution alors que cette opération est relativement facile pour les tailles comprises entre 100 et 1000nm. Par contre, l’échantillonnage des particules de tailles supérieures à 1000 nm présente la même complexité que les tailles comprises entre 20 et 100 nm.

Pour illustrer les difficultés de l’échantillonnage par dilution, Delattre et Friedlander (1978) ont estimé les pertes numériques des aérosols dans le tube capillaire d’un diluteur à filtres. Leurs résultats ont montré que les pertes d’aérosols de taille respectives de 10 nm et 15 nm sont estimées à 17 % et à 8%. Brockmann et al (1984) ont utilisé l’équation de Gormley et Kennedy (1949) pour prédire les pertes d’aérosols par diffusion dans un diluteur à capillaire, mais leurs résultats restent limités aux particules de l’ordre du micromètre. Chen et al (2007) ont montré que les pertes dans un diluteur à filtres avec capillaire restent négligeables pour les particules de taille inférieure à 2 nm. Dans leur étude portant sur la dilution des fumées, Abdul-Khalek et al (1999) ont vérifié que la température et l’humidité de dilution peuvent entraîner des phénomènes complexes tels que : l’agglomération rapide des aérosols, l’acquisition des charges électriques, l’attraction électrique des aérosols, les collisions éventuelles créées par la turbulence de l’écoulement. Brockhorn (1994) et Gulder (1999) ont confirmé que l’augmentation du temps de séjour avait des effets directs sur les aérosols de l’ordre de 1 nm.

En effet, ce paramètre donne la possibilité aux petites particules de grossir pour augmenter le nombre de grosses particules. Baumgard et Johnson (1996) ont remarqué que les particules ultrafines dont la taille ne dépasse pas 50 nm sont les plus affectés par l’écoulement turbulent qui accélère la coagulation. Globalement, il ressort de la plupart des auteurs que les pertes numériques d’aérosols dans un diluteur sont largement influencées par la température, l’humidité, les charges électriques, le temps de séjour et la géométrie du volume de dilution. Dans ce cadre, Noble et al, (2005) propose le choix d’un matériau approprié des diluteurs afin de minimiser les pertes numériques d’aérosols (Tableau 1.6).

Le diluteur à filtres Collins (2010) a développé un diluteur à filtre utilisant un filtre HEPA munie d’un capillaire (Figure 1.19). Il a également étudié les pertes d’aérosols pour ce type de diluteur, où il est ressorti que le diluteur à filtres ne convient pas pour les aérosols humides. Fuchs et Sutugin (1965) ont développé un diluteur à filtre simple pouvant atteindre un facteur de dilution de 6400. Dans le deuxième modèle l’aérosol subit une bifircation ou bypass pour être épuré par au moins un filtre pour produire de l’«air propre» qui est ensuite mélangé à l’«air pollué» pour obtenir un mélange dilué. Le modèle 3302A de TSI (TSI, 2014a) et le modèle TOPAS (Figure 1.20) disposent d’un ou plusieurs filtres selon le maximun de facteur de dilution désiré. L’écoulement à la suite du filtre est contrôlé par l’intermédiaire d’une restriction de position amovible. L’augmentation de la restriction à l’écoulement se traduit par une augmentation du débit de dilution à travers le filtre. La diminution de la restriction entraîne une augmentation du débit dans le capillaire. La limitation de la pression dans ce dispositif est imposée un tube capillaire de 0.14 cm de diamètre avec une longueur totale de 13.4 cm. Cette limitation de la pression entraîne une augmentation de l’écoulement à travers deux filtres HEPA placés en parallèle. La présence de la vanne permet la chute de pression le long de l’écoulement d’air filtré qui peut être augmentée ou diminuée par réglage de la valve. La chute de pression entraînant un écoulement variable à travers le capillaire, permet d’obtenir un facteur de dilution variable par la modification de la chute de pression.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Matériau de granite et le procédé de polissage
1.1.1 Matériau «granite»
1.1.1.1 Les variétés de granites et la composition minéralogique
1.1.1.2 Les propriétés et la microstructure des granites
1.1.2 Le polissage et les émissions de poussières
1.1.2.1 Description physique du processus de polissage
1.1.2.2 L’émission des poussières au cours de l’usinage et du polissage
1.1.2.3 Les méthodes de polissage, les abrasifs et les machines-outils
1.1.3 Échantillonnage des poussières d’usinage et de polissage
1.1.3.1 L’échantillonnage direct et l’échantillonnage indirect
1.1.3.2 L’échantillonnage des poussières d’usinage de Songmene et al (2008)
1.2 La dilution des poussières au cours de l’échantillonnage des poussières
1.2.1 Le modèle de facteur de dilution de Giechaskiel (2009 a, b)
1.2.1.1 Les hypothèses et les équations générales de dilution
1.2.1.2 Le modèle de facteur de dilution de Giechaskiel, (2009b)
1.2.2 Le modèle de facteur de dilution de Collins (2010)
1.2.2.1 Les hypothèses et les équations générales de dilution des particules
1.2.2.2 Le facteur de dilution numérique pour des pertes négligées
1.2.2.3 Le facteur de dilution volumique ou le facteur de dilution «débit»
1.2.2.4 Le facteur de dilution numérique avec des pertes de particules non négligeables
1.2.2.5 La pénétration d’un aérosol avec des pertes non négligeables
1.2.3 Les types de diluteurs
1.2.3.1 Le diluteur à résidence
1.2.3.2 Le diluteur à injection
1.2.3.3 Le diluteur à filtres
1.2.3.4 Le diluteur à rotor
1.2.3.5 Le diluteur à volume constant,et l’étude comparative des diluteurs
1.3 Conclusion partielle
CHAPITRE 2 DILUTION DES AÉROSOLS NaCl ET DU GAZ TRACEUR CO2
2.1 Dispositif expérimental de dilution des aérosols NaCl et du gaz traceur CO2
2.1.1 Dispositif expérimental de la dilution des aérosols NaCl
2.1.1.1 Le générateur d’aérosols
2.1.1.2 Le tube à gel de silice
2.1.1.3 Le diluteur
2.1.1.4 Le débitmètre massique TSI série 4100 et les rotamètres
2.1.1.5 Le Scanning Mobility Particle Sizer «SMPS #3080»
2.1.2 Dispositif expérimental de dilution du gaz traceur CO2
2.1.2.1 La bonbonne de stockage du gaz traceur CO2 sous pression
2.1.2.2 L’analyseur de gaz LFG20
2.2 Méthodes
2.2.1 Méthodes de Giechaskiel, (2009a) et de Collins (2010)
2.2.1.1 Le facteur de dilution «débit massique»
2.2.1.2 Le facteur de dilution «débit volumique»
2.2.1.3 Le facteur de dilution théorique
2.2.1.4 Le facteur de dilution «concentration massique»
2.2.1.5 Le facteur de dilution «concentration volumique»
2.2.1.6 Le facteur de dilution «concentration numérique» avec des pertes d’aérosols non négligeables
2.2.1.7 Le facteur de dilution théorique «concentration»
2.2.1.8 Le taux de variation de la concentration diluée
2.2.2 Méthodes des plans d’expériences
2.2.2.1 Le plan expérimental de dilution des aérosols NaCl
2.2.2.2 le plan expérimental de dilution du gaz traceur CO2
2.2.2.3 L’estimation des concentrations brutes émises avant la dilution
2.3 Comportement de la dilution des aérosols de NaCl
2.3.1 Les modèles de dilution
2.3.1.1 Le modèle homographique de la concentration diluée
2.3.1.2 Le modèle exponentiel de la concentration diluée
2.3.1.3 Le modèle exponentiel du facteur de dilution
2.3.2 L’influence des paramètres de dilution sur la concentration diluée et le facteur de dilution
2.3.2.1 L’influence du débit de l’«air propre» injecté
2.3.2.2 L’influence de la pression d’émulsion de la solution NaCl
2.3.2.3 L’influence de la concentration de la solution NaCl
2.3.3 Comportement du spectre des concentrations au cours de la dilution
2.3.3.1 Comportement du spectre brut des concentrations numériques
2.3.3.2 Comportement du spectre final des aérosols après dilution
2.4 Comportement de la dilution du gaz traceur CO2
2.4.1 L’influence des paramètres de dilution
2.4.1.1 Le comportement du taux de variation de la concentration diluée
2.4.1.2 L’influence du débit de l’air «propre» sur le facteur de dilution
2.4.1.3 L’influence du débit d’injection de CO2 sur le facteur de dilution
2.4.2 Modèles de régression pour le facteur de dilution du CO2
2.4.2.1 Modèles de régression pour les débits d’injection de gaz carbonique de 0.6, 0.8, et 1 LPM et les débits d’air «propre» de 0 à 3 LPM
2.4.2.2 Modèles de régression aux débits d’injection de gaz carbonique de 0.6, 0.8, et 1 LPM pour les débits d’air «propre» faibles (0 à 1.2 LPM)
2.4.3 Comparaison de la dilution des aérosols NaCl et du gaz traceur CO2
2.5 Conclusion partielle
CHAPITRE 3 APPLICATION À L’ÉMISSION DES POUSSIÈRES PM2.5
3.1 Matériel et méthodes
3.1.1 Matériel des essais de polissage et d’échantillonnage des poussières
3.1.1.1 La polisseuse, la table dynamométrique et l’échantillon de granite
3.1.1.2 Le profilomètre Mitutoyo® SJ-400
3.1.1.3 Le photomètre DUSTTRAK
3.1.1.4 Le diluteur, le débitmètre massique, et la source d’air «propre»
3.1.2 Les méthodes
3.1.2.1 Méthodes de choix du type de polissage et de l’abrasif
3.1.2.2 Méthodes de choix de la plage de la charge manuelle normale
3.1.2.3 Méthodes des plans d’expériences
3.1.2.4 Méthodes d’estimation et de modélisation du taux d’émission
3.1.2.5 Méthode de Simpson d’estimation des poussières totales
3.1.2.6 Méthode d’estimation du taux d’émission au polissage linéaire
3.2 Présentation des principaux résultats obtenus
3.2.1 Comportement des concentrations temporelles au cours du polissage
3.2.1.1 Comportement temporel des concentrations de poussières au polissage linéaire des granites «noir» et «blanc» avant la dilution
3.2.1.2 Comportement des concentrations temporelles calculées à partir du facteur de dilution moyen au polissage linéaire des granites «noir» et «blanc»
3.2.2 Analyse du processus d’émission de poussières de granites
3.2.2.1 L’influence de la microstructure des granites et des forces de coupe sur l’émission des poussières
3.2.2.2 L’influence de la géométrie de l’abrasif sur l’émission des poussières
3.2.3 Taux d’émission des poussières au cours du polissage des granites
3.2.3.1 Étude comparative du taux d’émission des nuances de granites
3.2.3.2 Les modèles de taux d’émission des poussières de granite sous des charges manuelles
3.2.3.3 Les modèles d’enlèvement de la matière convertis en taux d’émission et comparaison avec le modèle proposé
3.2.3.4 L’estimation du coefficient d’émissivité spécifique des granites
3.3 Conclusion partielle
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I INVENTAIRE DES DILUTEURS ET LEURS CARACTÉRISTIQUES
ANNEXE II DILUTEUR À INJECTION, SIMULATION ET COURBE DE DILUTION
ANNEXE III BANC D’ESSAI ET POLISSEUSE MAKITA
ANNEXE IV MODÈLES D’ÉMISSION DE POUSSIÈRES D’USINAGE
ANNEXE V MODÈLES DE TAUX D’ENLÈVEMENT DE LA MATIÈRE
BIBLIOGRAPHIE

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