Physique du château de sable
En 1997, la revue scientifique Nature publiait un article des plus sérieux intitulé « What keeps sandcastles standing ? » (Qu’est-ce qui fait tenir les châteaux de sable ?). Un an plus tard, suivait son pendant en quelque sorte : « How sandcastles fall ? » (Comment les châteaux de sable s’effondrent-ils ?). Les recherches sur la physique des grains humides, bien plus récentes que celles autour des grains secs, mobilisent encore de nombreuses équipes.
Tout enfant jouant sur la plage sait que les propriétés physiques du sable sec et du sable humide diffèrent. En présence d’eau, de nouvelles interactions apparaissent et s’ajoutent aux seules forces de contact et de frottement qui régissent le comportement d’un milieu granulaire sec. Les châteaux de sable tiennent grâce aux forces capillaires entre grains, liés par de petits ponts d’eau dus à la tension superficielle du liquide. Ces forces ne sont pas spécifiques au sable mouillé : elles sont aussi présentes dans la terre et dans le béton où elles jouent un rôle prépondérant. Les murs construits avec ces deux matériaux, même s’ils semblent secs, contiennent en effet toujours de l’eau. Qui aurait dit que le BTP et les châteaux de sable partageaient des problématiques communes ?
De l’eau pour construire
L’importance de l’eau, et plus généralement de l’état liquide, dans notre vie quotidienne et les activités industrielles est évidente. Paradoxalement, des trois états usuels de la matière, c’est celui qui est le plus mal compris. Si la propriété des liquides qui vient immédiatement à l’esprit est de s’écouler, il en existe bien d’autres. Un liquide est aussi capable d’exercer une force attractive entre deux surfaces : c’est l’existence de cette « colle » entre grains qui explique la cohésion du château de sable ou du mur en terre. Partons donc à la découverte des forces capillaires.
Ce qui fait tenir les châteaux de sable
Il est impossible de réaliser un château de sable avec du sable sec : ce dernier ne présente aucune cohésion. Pour réussir ne serait-ce qu’un simple pâté, il faut ajouter de l’eau. Elle confère une certaine cohésion au sable et permet, à partir d’un ensemble divisé, d’obtenir un matériau cohérent. Mais pas en n’importe quelle quantité ! Il existe en effet une teneur en eau optimale pour laquelle le sable mouillé est particulièrement cohésif. Dans un premier régime, la cohésion augmente avec la quantité d’eau, pour atteindre un maximum. Au-delà, la cohésion s’écroule rapidement pour finalement disparaître lorsque le sable est saturé d’eau.
Ce qui fait tenir un mur en terre
Les argiles sont des grains particuliers, plats et extrêmement petits. Ces spécificités les distinguent des autres grains composant la terre, leur conférant entre autres des propriétés de cohésion et de plasticité très importantes. La terre est considérée comme un béton dont l’argile serait le liant. En réalité, l’eau est le véritable liant de la terre. Les argiles sont juste des grains dont la taille et la forme particulières permettent aux forces capillaires d’être beaucoup plus intenses.