Soutenance mémoire
Produits pharmaceutiques et cosmétiques
On trouve aussi le kaolin dans des applications médicales et cosmétiques, mais avec une pureté plus élevée. Au niveau pharmaceutique, le kaolin entre dans la composition de certains médicaments. On l’utilise comme activateur pour tester la coagulabilité du plasma dans certains tests biologiques. On l’utilise également dans le traitement de certains troubles digestifs. Au niveau cosmétique, la principale utilisation du kaolin est la fabrication du fond de teint. Sa proportion varie de 3 à 10%, qui dépend de la formulation. Il peut être également utilisé dans la fabrication du rouge à lèvre.
Normes d’utilisation du métakaolin
Le métakaolin est un matériau qui répond à la norme NF P 18 513- Addition pouzzolanique pour bétons- Métakaolin- Définitions, spécifications et critère de conformité- « Métakaolin ». Il fait aussi l’objet de travaux dans le cadre de son incorporation à l’annexe nationale de la norme béton NF EN 206 1 pour les additions minérales. Le facteur k visé, utile dans le calcul de la composition du béton, est de 1 pour des applications traditionnelles et pourrait être plus élevé pour des bétons spéciaux, cas des fumées de silice.
Industrie du béton et mortier
Grâce à sa propriété pouzzolanique, la substitution d’un pourcentage de ciment par le métakaolin entraîne la consommation de la chaux libre ou la portlandite dans les bétons, les mortiers et les enduits à base de ciment. La substitution des métakaolins peut être réalisée dans tous les types de béton et pour tous types d’utilisation : bétons blancs, bétons à hautes performances (BHP), bétons de fibres à ultra-hautes performances (BFUP) et aussi des bétons auto-plaçants (BaP). La première utilisation du métakaolin a été en 1963 lors de la fabrication du barrage en béton Jupia au Brésil.
Principaux effets du métakaolin dans les bétons
Les avantages obtenus par la substitution partielle du ciment par le métakaolin à la formulation d’un béton varient en fonction du matériau utilisé. Toutefois, ils possèdent tous un point commun. Ils influent sur les résistances mécaniques en produisant un béton plus durable. Ainsi, on trouve plusieurs atouts du remplacement d’une proportion du ciment par le métakaolin, il permet de :
• augmenter la résistance à la compression et à la flexion ;
• améliorer la compacité, la maniabilité et la pompabilité du béton;
• augmenter la durabilité du béton par l’augmentation de la résistance aux agressions chimiques, par la réduction de la réaction alcali granulat et par la réduction de la perméabilité, donc protection supplémentaire contre la corrosion des armatures en fer;
• réduire les émissions de gaz à effet de serre en comparant à un béton entièrement fait de ciment Portland ;
• améliorer la plasticité et les caractéristiques de mise en place du béton ;
• produire un béton ayant des caractéristiques environnementales de développement durable ;
• produire un béton plus blanc qui facilite le contrôle des bétons colorés ;
• améliorer les caractéristiques de réflexion du soleil, diminuer l’effet d’île de chaleur et de contribuer à l’obtention de structures plus stables sur le plan énergétique ;
• améliorer la structure de la zone interfaciale et réduit ainsi la microfissuration et renforce les résistances mécaniques internes ;
• et d’apporter la résistance à la compression à long terme du béton.
Hydratation du ciment
La réaction d’hydratation est une réaction exothermique qui se produit entre les différentes phases cristallines du ciment (C3S, C2S, C3A, C4AF) et l’eau de gâchage. Cette réaction d’hydratation est très complexe et met en jeu plusieurs réactions se déroulant avec des cinétiques différentes. Dès le contact avec l’eau, les constituants anhydres du ciment donnent naissance à des silicates, aluminates de calcium hydratés et de la chaux hydratée (Ca(OH)2) appelée portlandite sous forme de plaquette hexagonale, tandis que les silicates de calcium hydratés forment un gel microcristallin composé de fines aiguilles à la surface du ciment, qui sont à l’origine du phénomène de prise. Lors de la réaction d’hydratation du ciment Portland, on voit que l’aluminate tricalcique (C3A) réagit très vite avec l’eau et sa prise se déroule rapidement. Cette réaction est fortement exothermique. Par rapport à la belite (C2S), l’alite (C3S) possède une cinétique d’hydratation plus rapide (10 à 20 fois plus rapide). Le C2S n’a pas de rôle majeur sur la structuration de la pâte de ciment à l’état frais. L’alite (C3S) et la belite (C2S) forment des silicates de calcium hydratés (C-S-H) et de la portlandite (Ca(OH)2) qui se retrouve englober dans les C-S-H au terme de l’hydratation, ce qui diminue la résistance du matériau. Le C-S-H est un gel solide poreux qui a une structure en feuillet et constitué de cristaux très petits (20 à 30 angströms). L’aluminate tricalcique conduit quant à lui à la formation de l’inttringite sous forme d’aiguilles prismatiques, ce qui n’est pas favorable à la résistance mécanique. La portlandite ne participe pas au développement de la résistance mécanique d’un béton. L’emploi de matériaux à propriétés pouzzolaniques peut remédier à ce problème, il permet de réduire la proportion de Ca(OH)2 contenue dans le mélange et augmente ainsi sa résistance. Ainsi, les silices (SiO2) se combinent avec la portlandite issu de la réaction d’hydratation du clinker pour donner du C-S-H.
Les émissions de CO2
D’après les données de l’édition 2006 du « Petit Livre Vert de l’environnement » publié par la Banque mondiale, on trouve une augmentation de 15% des émissions mondiales de dioxyde de carbone entre les années 1992 et 2002. L’industrie cimentière est responsable d’environ 5% de ces émissions, l’impact de la production du ciment sur l’environnement devient de plus en plus critique. Pour l’industrie cimentière, le ciment Portland comporte un double inconvénient. Les émissions énergétiques sont surtout obtenues par la combustion de combustibles fossiles (principalement les charbons et cokes), destinée à fournir l’énergie necessaire pour maintenir la très haute température des fours à clinker, qui représentent 0.28 t CO2/ t ciment ; Les émissions de procédé liées à la réaction de décarbonatation de la matière première (CaCO3) pour se transformer en clinker. La réaction de décarbonatation est la suivante :
CaCO3 CaO + CO2
Ces émissions de procédé correspondent à 0.52 t CO2/ t ciment. Ainsi les émissions est en moyenne de 0.8 t CO2/ t ciment pour le ciment Portland, mais elles peuvent varier de 0.6 à 0.9 t CO2/ t ciment selon le type de ciment. Pour le métakaolin, son bilan d’émission est de 0.096 t CO2/ t métakaolin, soit presque dix fois inférieur à celui du ciment. C’est un produit qui possède un caractère pouzzolanique, et on l’utilise comme ajout cimentaire dans l’industrie du ciment et la fabrication des bétons. Ainsi, pour diminuer ces impacts négatifs sur l’environnement, la manière efficace est d’optimiser le ciment par l’utilisation du métakaolin comme une substitution partielle du ciment.
Les ressources naturelles
Les matières premières utilisées dans la fabrication du béton sont majoritairement issus des ressources naturelles, qui sont par définition des ressources non renouvelables. Il est donc indispensable de trouver des solutions durables Des recherches au niveau de procédé de construction et/ou de nouveaux produits peuvent constituer des solutions à ces problèmes. Ces recherches auront l’avantage de réaliser le même type de construction mais avec une réduction de coût, économie d’énergie et diminution du coût environnemental. Ainsi, on propose les BHP avec du métakaolin qui offrent une durabilité considérable et une diminution de gaz à effet de serre. Avec leurs faibles porosités, compacités améliorés et des résistances à la compression élevées, on pourra ainsi accroître la durée de vie d’une construction. Ce qui permet la possibilité d’économiser des matières premières (ciment, eau) entrainant la préservation des ressources naturelles.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE I : NOTION SUR LES KAOLIN
1 Le kaolin
1.1 Définition
1.2 Origine des kaolins
1.2.1 Les kaolins primaires
1.2.2 Les kaolins secondaires
1.3 Structure de la kaolinite
1.4 Composition chimique du kaolin
1.5 Propriétés du kaolin
1.6 Transformation thermique du kaolin
1.6.1 Analyse thermique différentielle
1.6.2 Analyse thermogravimétrique
1.7 Les principales utilisations du kaolin
1.7.1 Matériaux de construction
1.7.2 Industrie du papier
1.7.3 Céramiques
1.7.4 Peintures
1.7.5 Réfractaires
1.7.6 Caoutchouc
1.7.7 Plastiques
1.7.8 Produits pharmaceutiques et cosmétiques
1.8 Les gisements des argiles kaoliniques à Madagascar
2 Le métakaolin
2.1 Définition
2.2 Caractéristiques du métakaolin
2.3 La prise pouzzolanique du métakaolin
2.4 Normes d’utilisation du métakaolin
2.5 Différentes applications du métakaolin
2.5.1 Utilisation en agriculture
2.5.2 Les architectes et les ingénieurs civils
2.5.3 Industrie du ciment
2.5.4 Industrie du béton et mortier
2.6 Principaux effets du métakaolin dans le béton
Conclusion
CHAPITRE II : GENERALITE SUR LE CIMENT
1 Définition et généralités
2 Les différents types de ciment
2.1 Les ciments de la norme NF EN 197-1
2.2 Les autres ciments
2.2.1 Ciment prompt naturel (NF P 15-314)
2.2.2 Ciments alumineux fondu (NF P 15-315)
2.2.3 Ciment à maçonner (NF P 15-307)
2.2.4 Ciment blanc
3 Caractéristiques du ciment
3.1 Caractéristiques physiques
3.1.1 Couleur
3.1.2 Densité apparente
3.1.3 Poids spécifique
3.1.4 La finesse de mouture (NF EN 196-1)
3.1.5 Prise et durcissement
3.1.6 Expansion (NF EN 196-3)
3.1.7 Retrait (NF P 15-433)
3.1.8 Eau de consistance normale (NF EN 196-1)
3.2 Caractéristiques chimiques et minéralogiques
3.2.1 Composition chimique élémentaire
3.2.2 Indice d’hydraulicité (i)
3.2.3 Chaux de saturation (CaOsat)
3.2.4 Module et valeurs requises
3.2.4.1 Module de chaux
3.2.4.2 Module de silice MS
3.2.4.3 Module d’alumine
3.3 Caractéristiques mécaniques
4 Hydratation du ciment
5 Contribution des cimenteries dans l’émission des gaz à effet de serre (GES)
Conclusion
CHAPITRE III : LES GRANULATS
1 Définition
2 Les différents types de granulats
2.1 Les granulats naturels
2.1.1 Les granulats de roche meuble
2.1.2 Les granulats de roche massive
2.2 Les granulats artificiels
2.2.1 Sous-produits industriels, concassés ou non
2.2.2 Les granulats à hautes caractéristiques
2.2.3 Les granulats légers
2.3 Les granulats recyclés
3 Les caractéristiques des granulats
3.1 Caractéristiques géométriques
3.1.1 Granulométrie
3.1.2 Classes granulaires
3.1.3 Module de finesse
3.1.4 Coefficient d’aplatissement
3.2 Caractéristiques physiques
3.2.1 Masses volumiques
3.2.1.1 Masse volumique apparente
3.2.1.2 Masse spécifique
3.2.2 Absorption
3.2.3 Propreté
3.3 Caractéristiques mécaniques
Conclusion
CHAPITRE VI : NOTION SUR LE BETON
1 Définition du béton
2 Classe de résistance du béton
3 Propriétés du béton frais
3.1 Affaissement au cône d’Abrams
3.2 Résistance du béton frais
4 Propriétés du béton durci
4.1 Porosité
4.2 Résistance à la compression
5 Les bétons hautes performances
5.1 Définitions et généralités
5.2 Composition
5.3 Propriétés physico-chimiques et mécaniques
5.3.1 Résistance mécanique
5.3.2 Rigidité
5.3.3 Retrait
5.3.4 Fluage
5.3.5 Durabilité
5.3.6 Tenue au feu
5.4 Applications
Conclusion
DEUXIEME PARTIE : ETUDES EXPERIMENTALES
CHAPITRE V : CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES
Introduction
1 Le kaolin et le métakaolin
1.1 Caractéristiques physiques
1.1.1 Couleur
1.1.2 Teneur en eau
1.1.3 Masse volumique apparente
1.1.4 Masse spécifique
1.1.5 Surface spécifique
1.1.5.1 Surface spécifique de Blaine
1.1.5.2 Surface spécifique BET
1.2 Caractéristiques géométriques
1.3 Caractéristiques chimiques
1.4 Analyse minéralogique
1.4.1 Analyse thermique différentielle
1.4.2 Diffraction des rayons X
1.5 Activation thermique
2 Le ciment
2.1 Caractéristiques physiques
2.1.1 Couleur
2.1.2 Masse volumique apparente
2.1.3 Masse spécifique
2.1.4 Surface spécifique Blaine
2.1.5 Eau de gâchage de consistance normale
2.1.6 Temps de prise
2.1.7 Stabilité
2.1.8 Classe vraie du ciment
2.2 Caractéristiques chimiques
2.2.1 Composition chimique
2.2.2 Indice d’hydraulicité
2.2.3 Modules et valeurs requises
2.2.4 Composition minéralogique potentielle
3 Les granulats
3.1 Caractéristiques physiques
3.1.1 Masse volumique apparente
3.1.1.1 Sable
3.1.1.2 Gravier 5/15
3.1.1.3 Gravier 15/25
3.1.2 Masse spécifique
3.1.3 Equivalent de sable ES (NF EN 933-8)
3.2 Caractéristiques géométriques
3.2.1 Granulométrie
3.2.2 Module de finesse du sable
3.2.3 Coefficient d’aplatissement
3.3 Caractéristiques mécaniques
3.3.1 Essai Los Angeles LA
4 Eau de gâchage
5 Adjuvant
5.1 Spécification
5.2 Mode d’emploi
5.3 Domaines d’application
Conclusion
CHAPITRE VI : FORMULATION ET ESSAIS
1 Formulation des bétons hautes performances
1.1 Données de base
1.2 Données sur les granulats
1.3 Données sur la pâte liante (matrice)
1.4 Données sur l’adjuvant
1.5 Composition pour 1m3 de béton
2 Essai de fabrication et caractérisation du béton témoin et des bétons hautes hautes performances à 5%, 10%, 15%, 20% et 25% de métakaolin
2.1 Caractéristiques des bétons obtenus
2.1.1 A l’état frais
2.1.2 A l’état durci
2.2 Interprétation
3 Etude de l’activation optimale du kaolin
3.1 Données de base
3.2 Données sur les granulats
3.3 Données sur les liants
3.4 Composition pour 1m3 de béton
4 Essais de fabrication des bétons ordinaires
4.1 Caractéristiques des bétons obtenus
4.1.1 A l’état frais
4.1.2 A l’état durci
4.2 Interprétation
Conclusion
CHAPITRE VII : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
Introduction
1 Les émissions de CO2
2 Les ressources naturelles
3 Intérêt environnemental
4 Intérêt en terme de durabilité
5 Intérêt économique
6 Inconvénients
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE
ANNEXE A
ANNEXE B
ANNEXE C
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