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Matières premières utilisées pour l’élaboration des géopolymères [9]
En générale, pour élaborer les géopolymères, les matières premières utilisées sont :
• Les matériaux aluminosilicates ;
• Les solutions activatrices.
Matériaux aluminosilicates
Les matières premières aluminosilicates utilisées pour la synthèse des géopolymères doivent être à la fois riches en silice (SiO2) et en alumine (Al2O3) et peuvent être très variées, qu’il s’agisse de minéraux naturels (illite, stilbite, kaolinite), de minéraux calcinés (métakaolin) ou de minéraux de substitution, principalement des sous-produits calcinés ou résidus d’exploitation industrielle (cendres volantes, laitiers de hauts fourneaux, scories volcaniques, des pouzzolanes naturelles et des cendres de balle du riz). Le kaolin et le métakaolin ont été les premières à être utilisées comme sources d’aluminosilicates [4]. Le métakaolin est une bonne source d’alumine et de silice ; il a une grande réactivité au contact des solutions alcalines et peut être utilisée pour comprendre le mécanisme de la géopolymérisation [6]. Sa grande réactivité est liée à l’état de désorganisation du réseau cristallin après activation thermique.
Les solutions activatrices
Pour la synthèse des géopolymères, le choix de la solution activatrice est très important car les propriétés du produit obtenu en dépendent fortement.
La solution d’activation comprend le cation de compensation ou le mélange de cations de compensation sous forme d’une solution ionique ou d’un sel. Ainsi, la solution d’activation est notamment choisie parmi :
Une solution aqueuse de silicate de sodium (Na2SiO3) et de silicate de potassium (K2SiO3) ;
D’hydroxyde de sodium (NaOH), d’hydroxyde de potassium (KOH) et d’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2 ) ; d’hydroxyde de césium (CsOH) et leurs dérivés sulfates, phosphates et nitrates,…
La solution alcaline la plus utilisée pour l’élaboration des matériaux géopolymères est la combinaison d’une solution de sodium ou de potassium hydroxyde (NaOH ou KOH) et le sodium ou potassium silicate (Na2SiO3, K2SiO3).
L’utilisation de la solution alcaline contient le silicate de sodium ou de potassium comparé à celle ne contenant que l’hydroxyde alcalin [4] rend la réaction de géopolymérisation plus rapide. De même, l’utilisation d’une solution d’hydroxyde de sodium par rapport à celle d’hydroxyde de potassium favorise la géopolymérisation et améliore les propriétés mécaniques des géopolymères [7]. Khale et Chaudhary ont montré que les géopolymères obtenus avec une solution alcaline de pH = 14 avaient une résistance à la compression cinq fois plus grande que ceux obtenus avec un pH = 12 et ont conclu que la solution alcaline la plus indiquée pour de caractéristiques mécaniques meilleures doit avoir un pH compris entre 13 et 14 [8].
Les produits géopolymères
Beaucoup sont les produits fabriqués à l’aide du géopolymère ; leurs domaines d’utilisations dépendent de leurs propriétés ainsi que des proportions des matières premières utilisées ou exactement de la proportion de l’atome de silicium et celui de l’aluminium.
Ainsi, nous pouvons citer :
les ciments géopolymères ;
les briques à basse température appelés en terme géopolymérique brique LTGS ;
la résine géopolymère pour la stabilisation des différents matériaux ;
les matériaux à très haute résistance au feu (brique réfractaire…) ;
les articles de décoration.
Utilisation des matériaux géopolymères
Depuis la découverte des géopolymères, qu’elles soient utilisées pure ou renforcées avec des charges ; ses utilisations et applications ne cessent d’augmenter dans plusieurs et différents domaines tels que dans l’industrie du génie civile, du plastique, dans la gestion des déchets ultimes, dans l’industrie de l’automobile, de l’aérospatiale, des fonderies non-ferreuses de la métallurgie, mais également dans l’industrie des réfractaires.
• En génie civil
Dans l’industrie du génie civil, les géopolymères contribuent à la fabrication de certains matériaux de construction ; on peut citer les bétons géopolymériques, pisé résistant à l’eau, briques, linteaux, toiture et les stabilisations des sols et routes.
• Aérospatiale
L’avion est équipé d’un enregistreur de vol électronique ininflammable. La cabine de l’avion a été rendue ignifuge avec des panneaux en composite carbone/géopolymère et de panneaux d’isolation inorganique. Plusieurs composants structurels de l’avion à réaction faits avec des alliages avancé SPF-Al (super plastique d’aluminium) ont été fabriqués à 600°C en utilisant des outils de compression céramique faits à partir des matériaux géopolyceram.
• Gestion des déchets ultimes
Par l’utilisation des ciments géopolymériques, les géopolymères contribuent dans la gestion des déchets toxiques comme l’encapsulation permanente des déchets radioactifs dangereux et les métaux toxiques, le piégeage du gaz carbonique par des gangues étanches, des panneaux de recouvrement, barrière et autre structure nécessaire pour maintenir les sites de stockage de déchets toxiques.
• Industrie des réfractaires
L’utilisation de la géopolymère dans l’industrie des réfractaires se développe de tant en tant ; sa propriété à résister au feu permette son utilisation dans la fabrication des matériaux réfractaires en jouant le rôle d’un liant. Pour améliorer le caractère réfractaire du matériau ; on ajoute des charges réfractaires telles que ferrites, corindon, carbure de silicium, quartz, bauxite, magnésie, graphite…
Selon le type de géopolymère et le rapport Si /Al, l’application de ce dernière est résumé comme suit : Tableau 3: Application sur les géopolymères
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I: Les Matériaux Réfractaires
I.1. Définitions [1]
I.2. Classification des matériaux réfractaires [1], [2]
I.2.1. Classification suivant la nature chimique et les éléments de base
I.2.2. Classification des matériaux réfractaires selon le mode de fabrication et la présentation physique
I.2.2.1 Les matériaux réfractaires façonnés denses
I.2.2.2 Les matériaux réfractaires non façonnés, préparés
I.2.2.3 Les matériaux réfractaires électro-fondus et frittés
I.3. Caractéristiques des produits réfractaires
I.3.1 Propriétés physico-chimiques [3]
I.3.2 Propriétés mécaniques [3]
I.3.3 Propriétés thermiques [2]
I.4. Domaine d’utilisation des matériaux réfractaires [3]
I.4.1 Industrie de Sidérurgie
I.4.2 Industrie de Métallurgie des non ferreux
I.4.3 Industrie de verrerie
I.4.4 Industrie du ciment et de la chaux
I.4.5 Industrie de Pétrochimie
I.4.6 Industrie de la chimie et Gazéification des Charbons
I.4.7 Fours Céramiques
I.4.8 Chaudières
I.4.9 Les réfractaires dans la technologie nucléaire
I.5. Procédé d’obtention d’un matériau réfractaire
Chapitre II : Les Géopolymères
II.1. Historique
II.2. Définition
II.3. Terminologie, chimie et structure des géopolymères
II.4. Matières premières utilisées pour l’élaboration des géopolymères [9]
II.4.1 Matériaux aluminosilicates
II.4.2 Les solutions activatrices
II.5. Les produits géopolymères
II.6. Utilisation des matériaux géopolymères [9]
PARTIE II : MATERIAUX UTILISES ET METHODOLOGIE
Chapitre III : Les Matériaux Utilisés
III.1. LA SILICE
III.2.1. Définition
III.2.2. Caractéristiques de la silice [10], [11], [12], [13]
III.2.2.1 La silice cristallisée
III.2.2.2 La silice amorphe
III.2.2.3 La silice hydratée
III.2.3.2 Propriété électrique :
III.2.3.3 Propriétés mécaniques :
III.2.3.4 Propriétés chimiques :
III.2.4. La balle de riz [13]
III.2.4.1 Généralité et définition
III.2.4.2 Utilisations des balles de riz
a) Source d’énergie
b) Source de silice
III.2. LE KAOLIN
III.3.1. Définitions
III.3.2. Minéralogie descriptive [15]
III.3.3. Propriétés et caractéristiques du kaolin [11], [16]
III.3.3.1 Propriétés physiques
III.3.3.2 Propriétés chimiques
III.3.3.3 Propriétés mécaniques
III.3.3.4 Propriété colloïdale
III.3.4. Action de la chaleur sur la Kaolinite [17]
III.3.5. Le kaolin d’Analabe
III.3.6. Les principales utilisations du kaolin
III.3. LE SILICATE DE SOUDE
III.4. LA BAUXITE
III.4.1 Définition
III.4.2 Mode de formation de la bauxite [18]
III.4.3 Les principaux constituants de la bauxite
III.4.4 Propriétés physique, chimique et minéralogique [3]
III.4.5 Action de la chaleur sur les bauxites
III.4.6 La bauxite de Mantasoa
III.4.7 Utilisation de la bauxite
Chapitre IV: Méthodes Expérimentales
IV.1. Méthode de caractérisation des matières premières
IV.1.1. Les matières premières :
IV.1.2. Les méthodes de caractérisation
IV.1.2.1 Caractérisations physiques
a) Détermination de la teneur en eau
b) Détermination de la masse volumique apparente et masse spécifique
IV.1.2.2 Caractérisations géotechniques
a) L’analyse granulométrique
b) Les limites d’Atterberg
IV.1.2.3 Caractéristiques chimiques et minéralogiques
a) Analyse chimique
b) Analyse minéralogique
IV.2. Préparation des matières premières
IV.2.1. Les matériels utilisés
IV.2.2. Préparation du liant géopolymère
VI.2.1 Prétraitements des matières premières
a) Le kaolin
b) La cendre de balle de riz
VI.2.2 Fabrication du silicate de soude [21]
VI.2.3 Fabrication du liant géopolymère
a) Processus de fabrication
b) Effet de la quantité de soude contenue dans le silicate de soude et dans la solution aqueuse de soude sur le liant géoplopymère Na-PSS
IV.2.3. Préparation de la bauxite
IV.2.3.1 Concassage de la bauxite
IV.2.3.2 Calcination de la bauxite
IV.2.3.3 Broyage
IV.2.3.4 Tamisage
IV.3. Formulation et confection des éprouvettes de briquettes réfractaires
IV.3.1. Préparation de la pâte
IV.3.1.1 Identification des échantillons
IV.3.1.2 Choix de la dimension du moule pour l’échantillonnage
IV.3.2. Homogénéisation et gâchage des mélanges
IV.3.3. Moulage
IV.3.4. Séchage et étuvage
IV.3.5. Cuisson des briquettes
IV.4. Méthode de caractérisation des éprouvettes de briquettes réfractaires
IV.4.1. Retrait dimensionnel et massique sous l’effet du séchage et de la cuisson
IV.4.4.1 Les retraits linéaire et volumique
IV.4.4.2 Le retrait massique
IV.4.2. Masse volumique
IV.4.2.1 Masse volumique absolue
IV.4.2.2 Masse volumique apparente
IV.4.3. Porosité
IV.4.4. Résistance mécanique
IV.4.4.1 Résistance à la compression
IV.4.4.2 Résistance à la traction
IV.4.5. Analyse pratique des échantillons
PARTIE III : RESULTATS ET DISCUSSIONS
Chapitre V : Résultats et Interprétations
V.1. Caractéristiques des matières premières
V.1.1. Caractéristique physique
V.1.2. Caractéristique géotechnique
V.1.2.1 Analyse granulométrique :
V.1.2.2 Limite d’Atterberg
V.1.3. Composition chimique et caractéristique minéralogique
V.1.3.1 Composition chimique élémentaire
V.1.3.2 Caractéristique minéralogique
V.2. Caractéristiques du liant géopolymère
V.3. Caractéristiques des différentes éprouvettes de briquette réfractaire
V.3.1. Retrait massique et dimensionnelle de séchage
V.3.1.1 Masse avant et après séchage
V.3.1.2 Dimension avant et après séchage
V.3.2. Retrait massique et dimensionnel après cuisson 600°, 900°, 1100° et 1350°
V.3.2.1 Sous l’effet de la cuisson à 600°C
a) Retrait massique
b) Retrait dimensionnel
V.3.2.2 Sous l’effet de la cuisson à 900°C
a) Retrait massique
b) Retrait dimensionnel
V.3.2.3 Sous l’effet de la cuisson à 1100°C
a) Retrait massique
b) Retrait dimensionnel
V.3.2.4 Sous l’effet de la cuisson à 1350°C
a) Retrait massique
b) Retrait dimensionnel
V.3.3. Masse volumique apparente après cuisson 600°, 900°, 1100° et 1300°C
V.3.4. Porosité
V.3.5. Résistance mécanique des échantillons
V.3.6. Analyse pratique des échantillons
V.3.7. Perspectives pour améliorer les résultats
V.3.8. Etude de coût des matières premières pour la fabrication du produit fini
Chapitre VI : Etude Economique et Environnementale sur la conception d’une unité de production
VI.1. ETUDE ECONOMIQUE
VI.1.1. Les raisons du choix du projet
VI.1.1.1 Abondance des matières premières
VI.1.1.2 Politique de développement socio-économique
VI.1.2. Le produit
VI.1.3. L’évaluation du secteur
VI.1.3.1 Etude de l’offre
VI.1.3.2 Etude de la demande
VI.1.4. Caractéristiques de l’unité de production
VI.1.4.1 Capacité de production
VI.1.4.2 Plan de production
VI.1.5. L’usine de production
VI.1.5.1 Infrastructures
VI.1.5.2 Matériels et équipements de production
VI.1.5.3 Le matériel de transport
VI.1.6. Etude financière de l’unité
VI.1.6.1 Les immobilisations incorporelles
VI.1.6.2 Les immobilisations corporelles
a) Coût du terrain et de construction
b) Les coûts des appareillages pour la première année
c) Coût des matériels de bureau
d) Coût des investissements
VI.1.6.3 Amortissements des immobilisations
VI.1.7. Déterminations des charges prévisionnelles
VI.1.7.1 Charges du personnel et social
VI.1.7.2 Nombre des personnels de l’usine pendant les cinq années d’exploitation
VI.1.7.3 Charges de productions et diverses :
VI.1.7.4 Coût prévisionnel des matières premières
VI.1.7.5 Coût des services extérieurs
VI.1.7.6 Coût des impôts et taxes
VI.1.8. Prix de revient de la brique pendant les cinq premières années de fabrication
VI.1.9. Chiffres d’affaire prévisionnelle
VI.1.10. Le plan de financement
VI.1.10.1 Fonds de roulement initial
VI.1.10.2 Répartition du plan de financement
VI.1.10.3 Le remboursement d’emprunt
VI.1.11. Compte de résultat prévisionnel
VI.1.12. Bilan provisionnel
VI.1.13. Evaluation de l’étude de rentabilité du projet
VI.1.13.1 Le cash-flow
VI.1.13.2 Valeur Actualisée Nette
VI.1.13.3 L’indice de profitabilité
VI.1.13.4 Délai de récupération des capitaux investis (DRIC)
VI.1.13.5 Les ratios de performance économique
a) Rendement apparent de la main d’oeuvres
b) Efficacité de l’investissement humain
c) Performance économique
d) Rentabilité économique
VI.2. ETUDE ENVIRONNEMENTALE
VI.2.1 Impact sur le milieu humain
VI.2.1.1 Impact socio-économique
VI.2.1.2 Impact sur les voies de communication
VI.2.1.3 Impact par les bruits et les vibrations
VI.2.1.4 Impact par les poussières et les odeurs
VI.2.2 Impact sur le milieu naturel
VI.2.2.1 Impact visuel
VI.2.2.2 Impact sur les eaux
VI.2.2.3 Impact sur l’air
VI.2.2.4 Impact sur les sols, flore et la faune
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIES
ANNEXES
ANNEXES I : ANALYSE CHIMIQUE DES MATIERES PREMIERES
ANNEXES II : FICHE TECHNIQUE DU KAOLIN D’ANALABE
ANNEXES III : DETERMINATIONS DE LA QUANTITE DES MATIERES PREMIERES POUR LA RESINE MINERALE
ANNEXES IV : CARTE DE LOCALISATION DES GISEMENTS DE KAOLIN ET DE BAUXITE A MADAGASCAR
ANNEXES V : ETUDE FINANCIERE
ANNEXES VI : IMPORTATIONS DE PRODUITS REFRACTAIRES PAR LES UTILISATEURS A MADAGASCAR [2]
ANNEXES VI : NOMBRES TOTAL DES INDUSTRIES, ENTREPRISES ET ETABLISSEMENT UTILISATEURS DES PRODUITS REFRACTAIRES A MADAGASCAR
ANNEXES VII : PHOTOS DES MATIERES PREMIERES ET DE REALISATION POUR LA FABRICATION DE NOTRE BRIQUE REFRACTAIRE
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