Lots de 500 kg

L’échantillonnagePour étudier les caractéristiques d’une population (les visiteurs d’une exposition, les molécules contenues dans une bouteille de vin ou encore les granulats de pneus usagés d’un big bag), il est souvent plus aisé et plus rapide d’analyser un échantillon.

Il convient alors de choisir un sous-ensemble qui représente le plus fidèlement possible les caractéristiques de la population entière.

Le but de l’échantillonnage est donc de fournir des informations sur une population globale, avec un niveau de fiabilité connu et acceptable.

Prélèvement d’un échantillon fiableFaire une analyse, quelle qu’elle soit, demande de savoir prélever un échantillon fiable de ce qui est à analyser. Deux propriétés sont essentielles : la reproductibilité de la prise d’échantillon et sa représentativité du lot initial.

Notion d’homogénéité ou d’hétérogénéité d’un prélèvement

Comment prélever, dans un lot de 500 kg de matière quelconque, la quantité nécessaire et représentative pour mener à bien une analyse qui ne requiert que quelques dizaines de grammes, voire quelques milligrammes ?

Le cas des produits homogènes Dans le cas d’une analyse d’eau du robinet, il suffit de remplir une bouteille d’eau et de la confier au laboratoire compétent. Cet « échantillon pour laboratoire » est, sauf conditions exceptionnelles, quasiment toujours le même. C’est d’ailleurs une garantie d’hygiène et de sécurité primordiale et surveillée de très près. Quel que soit le lieu du prélèvement sur le réseau, il sera toujours identique, pour une raison simple : l’eau du robinet contenue dans le réseau peut être considérée comme homogène.

De cet échantillon pour laboratoire, il sera pris plusieurs « échantillons pour essais », par exemple pour en doser les nitrates ou déterminer la dureté de l’eau. Là aussi, un litre d’eau du robinet étant homogène, il suffit de prendre de l’eau sans précaution préalable. Un litre de jus de fruits demanderait sans doute une forte agitation pour remettre en suspension la pulpe déposée dans le fond de la bouteille. Cette homogénéisation serait alors une étape indispensable de la procédure de prise d’échantillons, garantissant des résultats représentatifs et reproductibles.

Prélèvement et échantillonnage

L’hétérogénéité de constitution Elle résulte des fréquences et des particularités phy-sico-chimiques des particules individuelles de la matière, dans l’état de morcellement où celle-ci se trouve. Elle est exclusivement liée aux propriétés intrinsèques (composition chimique, masse, taille, etc.) de chaque élément et elle est indépendante de leur distribution spatiale. L’hétérogénéité de constitu-tion est donc une grandeur définie et invariante pour un lot de matière donné. Le mélange et l’homogénéi-sation n’ont aucune influence sur elle.Les granulats de pneus usagés, par exemple, peuvent provenir de différentes parties des pneus dans lesquelles la gomme n’a pas la même formulation chimique. L’analyse d’un grain ne peut pas être représentative de la composition du matériau.

L’illustration ci-dessous montre que les caractéristiques des granulats issus du même pneu sont différentes suivant leur origine.

L’hétérogénéité de distributionElle résulte principalement de la distribution spa-tiale, ou temporelle, non aléatoire des particules au sein du lot. Elle dépend donc aussi de la taille de ces groupes de particules sur lesquels sont effectuées les obser-vations, ainsi que de l’hétérogénéité de constitution de la matière étudiée.

Dans différents contenants (big bag, sacs, etc.) ou dans un convoyeur, les granulats se redistribuent en fonction de leurs tailles respectives. Les gros passent au-dessus alors que les petits se faufilent vers le fond.

Le cas des produits hétérogènes

Les produits issus du recyclage sont souvent qualifiés d’ ”hétérogènes”. Le terme “hétérogénéité” est employé pour définir l’absence d’uniformité d’une grandeur entre tous les éléments constitutifs d’une population donnée. La définition de l’hétérogénéité implique de déterminer avec soin la population au sein de laquelle elle est étudiée, et aussi la précision de mesure attendue. La définition de l’hétérogénéité implique de bien préciser la grandeur à laquelle il est fait référence.

En effet, une matière donnée peut se révéler tout à fait homogène au regard d’une grandeur, par exemple le taux d’élastomères pour un big bag de granulats. Mais cette matière peut être fortement hétérogène vis-à-vis d’une autre grandeur, comme la teneur en silice dans un granulat. Les analyses qui ne prennent pas en compte les notions de plan d’échantillonnage et de préparation des prises d’essais ont souvent abouti à des valeurs très fluctuantes pour un même produit, et malheureusement à des conclusions erronées.

Deux types d’hétérogénéité de la matière peuvent être définis

Hétérogénéité de distributionDans différents contenants (big bag,sacs; etc.) ou dans un convoyeur, lesgranulats se redistribuent en fonctionde leurs tailles respectives. Les gros

passent au-dessus alors que les petits se faufilent vers le fond.

Diversité en composition des granulats en fonction de leur origine dans le pneu.

Toute matière doit donc être considérée a priori comme hétérogène. L’homogénéité parfaite ne devient alors, dans ce cas, qu’une limite théorique inaccessible pour laquelle toute erreur d’échantillonnage aurait disparu. En acceptant cette hypothèse d’hétérogénéité, il est aisé d’admettre que n’importe quelle partie du lot à analyser n’a pas forcément les mêmes propriétés que le lot lui-même. Le résultat d’une analyse effectuée sur une telle fraction peut alors n’avoir aucun sens s’il est transposé tel quel sur l’intégralité de l’objet.

Pour accroître les chances de déterminer, à partir d’un échantillon, la composition en une grandeur donnée d’un lot de matière, il est indispensable d’augmenter le nombre de prélèvements, et, dans les cas extrêmes, de prélever tous les individus du lot.

Considérer toute matière comme hétérogène conduit donc à admettre que toute fraction de cette matière n’est pas représentative de l’objet initial. C’est donc accepter le fait que le résultat de la mesure d’une grandeur obtenu sur une telle fraction soit entaché d’erreurs, parfois minimes, par rapport à sa véritable valeur au sein du lot original.

Le prélèvement d’un échantillon d’une matière hétérogène est donc un processus aléatoire qui engendre des erreurs d’échantillonnage.

Cas réels

La figure ci-dessous résume et illustre de façon simplifiée les deux types d’hétérogénéité de la matière.

50 %

50 %

50 %

25 %

25 %

33,3 %

33,3 %

22,2 %

11,1 %

Composition de ce lot ? Quel échantillon prendre ?

Erreurs de préparation et de prélèvementCertaines de ces erreurs peuvent être éliminées en apportant un soin particulier aux différentes mani-pulations lors de la constitution de l’échantillon pro-prement dit. Il s’agit des erreurs de préparation et de prélèvement. Elles sont dues à la perte ou à l’ap-port de matière (poussières, mauvais nettoyage des appareils, contamination par l’appareillage), à l’alté-ration chimique (échauffement, évaporation) ou phy-sique (bris de fragments, entre autres) du paramè-tre étudié, à la négligence ou à la maladresse de l’opérateur (mélanges accidentels, oublis, mauvais étiquetage, etc).

Erreur de ségrégationD’autres erreurs peuvent être réduites, sinon annulées. C’est le cas de l’erreur de ségrégation, due à l’hétéro-généité de distribution (spatiale ou temporelle) des dif-férents constituants au sein du lot. L’homogénéisation de la totalité du lot à analyser (par mélange, par exemple) permet de la réduire, voire de l’annuler dans certains cas. Lorsqu’il n’est pas possible d’homogénéiser physiquement le lot par mélange, on s’attache à effectuer un maxi-mum de prélèvements élémentaires sur l’intégra-lité de la matière, ce qui revient à faire un mélange “artificiel” (exemple des opérations de quartage).

Erreur fondamentale d’échantillonnageIl existe enfin une erreur irréductible sans modification de l’état physique de la matière : l’erreur fondamentale d’échantillonnage. Elle est liée étroitement à l’hétérogénéité de constitution de la matière et correspond à une limite idéalement atteinte lorsque toutes les particules (ou fragments) ont une chance égale d’être prélevées dans l’échantillon. De plus, elle est inversement proportionnelle à la masse d’échantillon prélevée. Seule l’erreur fondamentale d’échantillonnage peut être estimée assez simplement par un calcul a priori issu de la théorie de Pierre Gy et à partir de certains paramètres caractéristiques de la matière échantillonnée (taille, densité, forme, composition des particules ou des fragments qui composent le lot). Toutefois, il importe de se souvenir qu’étant seulement une des composantes de l’erreur totale d’échantillonnage, l’erreur fondamentale est, dans tous les cas, inférieure à cette dernière, et ce, dans des proportions qui peuvent être considérables et imprévisibles si l’échantillonnage n’est pas effectué correctement. La valeur de l’erreur fondamentale d’échantillonnage correspond donc à un seuil au-delà duquel il devient illusoire de vouloir énoncer une précision sur la détermination de la grandeur suivie.

Erreurs d’échantillonnage

Entre le lot initial et l’échantillon destiné à l’analyse, il existe en fait non pas une, mais toute une série d’erreurs d’échantillonnage.

Définition des différents prélèvements et échantillons

L’échantillonnage Ensemble des méthodes utilisées pour l’analyse d’une population au moyen d’un échantillon.Équivalent : sampling.

Prise élémentaire Quantité ou volume prélevés au sein du big bag à l’aide d’un outil de prélèvement.

Échantillon pour laboratoire Échantillon envoyé au laboratoire ou reçu par celui-ci. L’échantillon pour laboratoire est l’échantillon final du point de vue de la collecte d’échantillon, mais c’est l’échantillon initial du point de vue du laboratoire, donc en vue de l’analyse.

Échantillon pour essai Lorsque l’échantillon pour laboratoire est l’objet d’une préparation par subdivision (réduction), mélange, broyage ou par une combinaison de ces opérations, le résultat est l’échantillon pour essai. Quand aucune préparation de l’échantillon pour laboratoire ne s’avère nécessaire, alors l’échantillon pour laboratoire devient l’échantillon pour essai.

Prise d’essai Une prise d’essai est extraite de l’échantillon pour essai pour effectuer une analyse.

Mode opératoire de la méthode 1

Deux méthodes ont été élaborées. La première, dite “lourde”, a été mise au point par le BRGM1 en utilisant une succession d’échantillonneurs mécaniques. Les échantillons ainsi constitués ont servi de référence qualité à l’élaboration de la seconde méthode, beaucoup plus simple à mettre en œuvre et équivalente en termes de représentativité et de reproductibilité.Le BRGM dispose dans ses locaux d’un échantillonneur à cuillère qui a été adapté aux granulats de PUNR, afin de prélever aléatoirement 10 % de la matière contenue dans les big bags.Les 50 kg restants ont été divisés par passages successifs dans des échantillonneurs à rifles pour obtenir la masse des différents sous-échantillons.

Cet outil utilisé permet de diviser par deux la masse initiale de l’échantillon. Le laboratoire a procédé ainsi jusqu’à obtenir des échantillons de 500 g, utilisés par la suite pour les analyses de granularité, de densité, de morphologie, de composition chimique, etc.

Méthodes préconisées et étudiées par AliapurConstitution d’échantillons de 500 g de granulats à partir de big bag de 500 kg

25 kg 25 kg

500 kg

500 kg

450 kg

50 kg

Échantillonneurà cuillère

Échantillonneurà rifles

500 g de granulats

représentatifs du lot initial

Granulats

1/2 + 1/2

1 Bureau de Recherches Géologiques et Minières.

Préparation d’échantillons de 500 g ou plus par prélèvements successifs au cours de la production

Mode opératoire de la méthode 2

Préparation d’échantillons de 500 g par prélèvements successifs dans un big bag

À la suite des travaux du BRGM sur la méthode ”lourde”, le service R&D d’Aliapur a demandé au laboratoire de chercher à obtenir un échantillon représentatif de 500 g par le moyen d’une gouge de prélèvement adaptée. Cet outil permet de prélever environ 150 à 200 g de granulats par prise.

Cette technique d’échantillonnage a été validée pour les mesures de type granulométrique et pour des ana-lyses de composition chimique. Elle a fait l’objet d’une norme Afnor publiée sous la référence XP T47-755.

D’autres travaux sont en cours pour valider ce prin-cipe de mesure aux autres caractéristiques.

Un protocole est à l’étude par les membres de la commission Afnor. Comme évoqué précédemment, si le souhait est d’obtenir un échantillon représentatif d’une production de 40 tonnes de granulats, il convient de réaliser des prélèvements successifs en sortie de ligne de granulation, en s’assurant

que le moyen de prise élémentaire permet de récupérer l’ensemble du flux sortant de la ligne. Il peut également être envisagé de prélever plusieurs kilos puis d’utiliser des diviseurs à rifles pour réduire l’échantillon à 500 g ou moins.

Réduction des échantillons de 500 g pour analyses

Préparation d’échantillons de quelques grammes à partir d’échantillons de 500 g

L’utilisation des plus petits diviseurs à rifles permet d’obtenir des échantillons de quelques dizaines de grammes.

Exemple : 2 g de granulats contiennent environ 200 grains entre 2 et 3,15 mm ou 300 grains entre 1 et 1,6 mm. La masse unitaire moyenne des particules fines (< 0,5 mm) est de 0,0223 mg.

En deçà de quelques dizaines de grammes, il convient d’utiliser un diviseur rotatif.Cet outil a permis de réaliser des échantillons de 5 à 10 g notamment pour les besoins des analyses morphologiques. Exemple de diviseur rotatif

L’analyse des masses unitaires des granulats permet de disposer des ordres de grandeur ci-dessous.

Classes

granulo-métriques

Masses pesées (g) Masses unitaires (mg)

100 granulats 200 granulats Sur 100 Sur 200 Sur 300

> à 3,15 mm 2,01 3,92 20,10 19,6 19,77

> à 2 mm 0,94 1,83 9,37 9,14 9,22

> à 1,6 mm 0,4 0,79 4,01 3,95 3,97

> à 1 mm 0,21 0,41 2,12 2,03 2,06

Préparation d’échantillons pour analyse chimique à partir d’échantillons de 500 g

Sur la base des travaux du BRGM et en s’appuyant sur le projet de norme “PR CEN/TS 15413 – Solid Recovered Fuels – Methods for the Preparation of the Test Sample from the Laboratory Sample”, Aliapur a souhaité définir une opération de microbroyage des granulats. En effet, certaines analyses chimiques demandent seulement quelques milligrammes de matière pour des éléments contenus sous forme de trace dans les PUNR.

Les résultats obtenus sur les échantillons ont montré la fiabilité du protocole de préparation présenté ci-dessous.

Obtention des particules inférieures à 500 µmLe broyage des 500 g de matière est assuré par effet de rebondissement et de cisaillement entre le rotor en mouvement et la grille annulaire fixe. La matière chargée parvient au rotor par l’intermédiaire d’une trémie équipée d’un dispositif antiprojections. Sous l’effet de l’accélération centrifuge, elle est projetée vers l’extérieur et pré broyée au contact des dents du rotor en rotation. Le broyage fin de la matière a lieu entre le rotor et la grille. Ce broyage en deux temps se traduit par un traitement rapide, en ménageant particulièrement le matériau. La matière à broyer ne séjourne que très brièvement dans la chambre de broyage. Elle est recueillie dans le récipient collecteur qui entoure la chambre de broyage. Le microniseur préconisé est un broyeur ultracentrifuge avec un rotor 12 dents.

Pour 500 g de matière, l’opération est réalisée en quatre fois sur des fractions d’environ 150 g trempés dans l’azote liquide. 40 minutes de temps de manipulation sont nécessaires pour 150 g : immersion dans de l’azote liquide, micronisation par ajout dans la machine de fractions de quelques grammes (1 ou 2 grammes pour éviter de bloquer le rotor), vidange du bac collecteur, pesée de l’échantillon produit et démontage de la machine pour récupérer la poudrette immiscée dans les recoins. Pour réaliser l’essai sur 500 g, il faut compter 3 heures.

Obtention d’échantillons de quelques grammes à partir de la matière micronisée Le chargement de la matière se fait dans la trémie d’alimentation d’un diviseur rotatif. La matière est amenée vers la couronne rotative à l’aide de la goulotte d’alimentation vibrante, de manière automatique et synchronisée. La division est représentative dès le début puisque la goulotte d’alimentation se met à vibrer seulement à partir du moment où le diviseur d’échantillons tourne à la vitesse prescrite : 110 tours par minute, et ce, indépendamment de la charge et de la fréquence du secteur. Cela signifie qu’avec la couronne à 8 sorties, le flux de matière se répartit dans les flacons chaque minute en 880 échantillons individuels. Statistiquement, cela garantit une division à haut degré de précision.

Le diviseur rotatif ne nécessite que 3 étapes pour passer de 500 g à 1 g, et les 8 échantillons obtenus sont quasiment identiques. Le répartiteur de chute demande 9 étapes pour passer de 500 g à 1 g : on obtient ainsi deux échantillons divisés avec une erreur de 3 % à chaque division. L’échantillon minimum pouvant être divisé sur ce type d’appareil est d’environ 0,8 g afin d’obtenir 8 fractions à 0,1 g.

Rotor + grille

Conclusion

Une mesure n’est pas représentative sans un échantillonnage parfaitement maîtrisé. Avec l’appui du BRGM et du LRCCP, le service R&D d’Aliapur a pu mettre au point une méthode globale de prélèvements et d’échantillonnages performante pour analyser des granulats de PUNR.

Références

Normes

n NF EN 13920-1 - Septembre 2003Aluminium et alliages d’aluminium - Scrap (matières premières pour recyclage) - Partie 1 : exigences générales, échantillonnage et essais.

n NF EN 14899 - Avril 2006 Caractérisation des déchets - Prélèvement des déchets - Procédure-cadre pour l’élaboration et la mise en œuvre d’un plan d’échantillonnage.

n NF EN 14735 - Janvier 2006 Caractérisation des déchets - Préparation des échan-tillons de déchets en vue d’essais écotoxicologiques.

n NF EN 15002 - Avril 2006 Caractérisation des déchets - Préparation de prises d’essai à partir de l’échantillon pour laboratoire.

n NF EN ISO 13690 - Mai 2007 Céréales, légumineuses et produits de mouture - Échantillonnage des lots statiques.

n NF ISO 2067 - Septembre 2002 Granulés crus de liège - Échantillonnage.

n PR CEN/TS 15413 Solid Recovered Fuels - Methods for the Preparation of the Test Sample from the Laboratory Sample.

n Afnor XP T47-755 - Juin 2008Pneus usagés non réutilisables (PUNR) - Échantillonnage de granulats issus de PUNR - Méthode basée sur la réalisation d’un échantillon représentatif du contenu d’un big bag par prélèvements successifs à diffé-rentes hauteurs.

Études de références

n Analyses de granulats, de fibres textiles et de fibres métalliques issus du broyage de PUNR véhi-cules légers (VL) et poids lourds (PL) - LRCCP pour le compte d’Aliapur - Juin 2005.

n Échantillonnage et caractérisation de granulats de pneus usagés non réutilisables - BRGM pour le compte d’Aliapur - Juillet 2006.

n Échantillonnage et caractérisation de granulats de pneus usagés non réutilisables en vue de la comparaison de différents procédés de granulation - BRGM pour le compte d’Aliapur - Février 2007.

n Caractérisation de granulats de PUNR - CTTM pour le compte d’Aliapur - Février 2007.

n Hétérogénéité, échantillonnage, homogénéisation, Pierre Gy, édité par Masson, paru le 1er décembre 1997, EAN : 9782225813139

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