Sable de remblai thermique pour câbles et résistivité thermique : le guide
Pourquoi le sable de remblai thermique est-il important pour les câbles électriques souterrains ? Nous expliquons la résistivité thermique, l'adéquation de la silice/du quartz, le facteur critique de l'humidité, le risque de dry-out et l'essai IEEE 442.
Le fonctionnement sûr et efficace des câbles électriques souterrains dépend de la capacité du matériau de remblai qui les entoure à conduire la chaleur. Les câbles chauffent lorsqu'ils transportent du courant ; si cette chaleur n'est pas évacuée rapidement, le câble surchauffe, sa capacité (ampacité) diminue et sa durée de vie peut même se raccourcir. C'est là qu'interviennent le sable de remblai thermique et sa propriété la plus importante : la résistivité thermique. Dans cet article, nous expliquons ce qu'est la résistivité thermique, pourquoi le sable de silice/quartz convient à cet usage et le facteur critique de l'humidité.
Qu'est-ce que la résistivité thermique ?
La résistivité thermique (thermal resistivity) est la mesure de la résistance qu'un matériau oppose au flux de chaleur ; elle s'exprime en K·m/W (ou °C·m/W). Plus la valeur est faible, mieux le matériau conduit la chaleur, c'est-à-dire plus il évacue rapidement la chaleur du câble. C'est pourquoi une faible résistivité thermique est recherchée pour le remblai de câbles.
La résistivité thermique est l'inverse de la conductivité thermique (λ, W/m·K). Par exemple, une résistivité de 0,5 K·m/W correspond à une conductivité de 2,0 W/m·K. À titre de référence, la résistivité thermique de l'eau stagnante est d'environ 1,65 K·m/W, celle de l'air d'environ 40 K·m/W ; cet écart considérable explique pourquoi la question de l'humidité, que nous verrons plus loin, est si importante.
Pourquoi le sable de silice/quartz convient-il ?
Le minéral quartz possède une conductivité thermique élevée parmi les matériaux naturels ; il conduit la chaleur bien mieux que le feldspath ou l'argile. C'est pourquoi le sable de silice et de quartz à haute teneur en SiO₂ est un matériau physiquement adapté au remblai thermique de câbles. De plus, un sable bien gradué (à distribution granulométrique étendue), une fois compacté, voit ses grains s'imbriquer plus étroitement : les vides diminuent et la conduction de la chaleur augmente.
Mais il y a ici un détail critique : la performance thermique du sable se révèle non pas à l'état sec ou meuble, mais à l'état humide et compacté.
Facteur critique : humidité et compactage
La performance du sable sec est trompeuse. À l'état sec, les vides entre les grains de sable sont remplis d'air, et la résistivité thermique de l'air est très élevée. Le sable sec conduit donc mal la chaleur ; sa résistivité thermique augmente. Lorsque le sable devient humide, l'eau remplit les vides entre les grains, crée des ponts thermiques et la résistivité chute considérablement. Le compactage renforce ce même effet en réduisant les vides ; de fait, la résistivité diminue à mesure que le sable est compacté.
Il existe ici un risque important appelé « assèchement thermique » (thermal dry-out) : lorsque le câble chauffe, il peut chasser l'humidité du sable qui l'entoure. À mesure que le sable sèche, sa résistivité augmente, ce qui provoque encore plus d'échauffement et encore plus d'assèchement ; sans contrôle, un cercle vicieux appelé « emballement thermique » (thermal runaway) peut s'installer. C'est pourquoi les projets sérieux évaluent conjointement la résistivité du remblai à l'état sec et à l'état humide, ainsi qu'une densité de référence.
Comment le tester ?
Pour pouvoir garantir qu'un sable atteint une valeur donnée de résistivité thermique (par exemple 0,5 K·m/W), une mesure est nécessaire. La méthode standard est l'essai à la sonde à aiguille thermique (thermal needle probe) selon IEEE 442 et ASTM D5334. Cet essai est réalisé à humidité et densité contrôlées, et une « courbe d'assèchement thermique » (relation humidité–résistivité) est souvent établie. Autrement dit, pour affirmer qu'un sable « atteint 0,5 », il faut préciser dans quelles conditions d'humidité et de compactage cette valeur a été obtenue.
Quand une garantie à l'état sec est requise : le remblai stabilisé
Dans les projets critiques où la valeur doit être garantie indépendamment de l'humidité, y compris en conditions sèches, le remblai thermique stabilisé (lié au ciment) entre en jeu. Connue sous le nom de remblai thermique fluide (FTB), cette solution est un mélange coulable comme du béton, composé de granulats, de sable, d'une petite quantité de ciment, d'eau et d'un fluidifiant. Il se met en place sans compactage et assure une résistivité thermique faible et stable. Dans ce type de remblai, le matériau de base reste le sable de silice/quartz.
Vous pouvez découvrir les propriétés générales du sable de silice et du quartz dans nos articles sable de silice et sable de quartz.
Conclusion
En résumé, l'objectif du sable de remblai thermique est d'évacuer rapidement la chaleur du câble, et la mesure de cette capacité est une faible résistivité thermique. Un sable de silice/quartz à haute teneur en SiO₂ et bien gradué est un matériau adapté à cet usage ; toutefois, la résistivité visée ne peut être garantie que dans les bonnes conditions d'humidité et de compactage, mesures à l'appui. Pour définir la solution de remblai thermique adaptée à votre projet, n'hésitez pas à nous contacter.