Soutenance mémoire
Les déchets ne sont pas inutiles ni sans valeurs. Depuis déjà un certain temps, ils sont considérés comme une ressource précieuse, et partant des matières premières et de l‟énergie peuvent en être extraites. Le réemploi, la réutilisation et le recyclage des déchets contribuent à économiser des ressources naturelles et à limiter les pressions sur l‟environnement. C‟est pourquoi le terme « traitement des déchets » est, de plus en plus souvent, remplacé par l‟industrie des ressources. Traditionnellement, l‟industrie cimentière emploie 4/5 de calcaire et 1/5 d‟argile pour fabriquer le ciment. Depuis longtemps les cimenteries recourent à des sous produits pour substituer des matières premières sans modifier la qualité du ciment. Cependant, pour Madagascar, en l‟occurrence la commune Urbaine d‟Antananarivo [Rindra 2011] gérer les déchets pose un grand problème, bien qu‟ils soient tous dans plusieurs quartiers d‟Antananarivo collectés, transportés et déposés dans des endroits à ciel ouvert comme le cas d‟Andralanitra. En plus, la ville d‟Antananarivo en globe 192 quartiers ou fokontany abritant 2,0 millions d‟habitants qui produisent 250 000 tonnes de déchets municipaux [Gevalor]. Compte tenu de ce que les quantités ces derniers augmentent, les sites de décharge sont sursaturés. Par conséquent, cela engendre de nombreux inconvénients sur le plan sanitaire et sur le plan environnemental. Face à cette situation, la réflexion tend à se pencher vers la recherche d‟un moyen efficace permettant de pouvoir réduire les déchets en grande quantité. C‟est dans cette optique que l‟idée de traiter les sites pollués, tels la décharge d‟Andralanitra, nous oriente vers la valorisation des sédiments à l‟instar d‟adjuvant d‟un clinker.
GÉNÉRALITÉ SUR LE CIMENT
Définition
Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire une poudre minérale qui, par simple mélange avec l‟eau, forme une pâte qui fait prise et qui durcit par suite de réactions et de processus d‟hydratation et qui après durcissement, conserve sa résistance et la stabilité même sous l‟eau. [RANAIVONIARIVO ; S.Catinaud 2000] En fait, les différents états du ciment peuvent être classés en trois parties: [R.Dupain]
– Avant son mélange avec l‟eau, le ciment s‟appelle: « ciment anhydre » cela veut dire mélange sans eau ;
– Ciment hydraté: les composés insolubles dans l‟eau, obtenus par combinaison chimique de l‟eau et de la poudre de ciment anhydre ;
– Pâte de ciment durcissant: la combinaison de ciment anhydre et le ciment hydraté.
Historique
Auparavant, le ciment aurait été inventé par les Égyptiens, puis fut amélioré par les civilisations suivantes par l’ajout de chaux à l’argile. La chaux, connue depuis l‟antiquité: ne durcit pas sous l‟eau. Les Grecs d’Italie le renforcèrent avec des cendres pouzzolaniques (cendres volcaniques de la région de Pouzzoles), et cet usage fut repris et généralisé par les Romains. Jusqu‟à l’Époque moderne, le ciment est un liant, souvent une chaux additionnée à des adjuvants tels des tuiles ou briques concassées, où l’argile possède des propriétés hydrauliques. La pouzzolane est très utilisée comme adjuvant. Le ciment ne prit son acception contemporaine qu’au XIXe siècle, lorsque Louis Vicat identifia le phénomène d’hydraulicité des chaux en 1817, et celle des ciments, qu’il dénomma « chaux éminemment » hydrauliques, ou chaux limites, en 1840. Par suite, la recherche sur l’hydraulicité des chaux débuta à la fin du XVIIIe siècle pour aboutir vers 1840, à la fabrication des ciments modernes. Elle concerne les chaux grasses, non hydrauliques, qui ne durcissent pas sous l’eau, puis les chaux hydrauliques qui durcissent même sous l’eau, les chaux éminemment hydrauliques (riches en argiles) qui se solidifient très rapidement, et les chaux limites (trop riches en argiles) qui le soit très vite aussi mais qui se décomposent, si elles ne sont pas cuites au degré de fusion pâteuse [R.Dupain].
En 1796, James Parker découvrit, sur l’Île de Sheppey en Grande Bretagne, le ciment prompt (une chaux éminemment hydraulique ou ciment naturel à prise rapide, cuit à 900 °C comme les chaux naturelles ordinaires) qu’il baptisa commercialement ciment romain. Ce ciment acquit par la suite, de 1820 à 1920 environ, une grande réputation. Il fut fabriqué dans toute l’Europe et servit à faire des moulages au gabarit, ou à fabriquer des pierres artificielles de ciment moulé. Au début du 19èm siècle, dans toute l‟Europe, une émulation se créa pour remplacer les fameux mélanges chaux et pouzzolanes datant de l‟époque romaine. La pouzzolane, importée d‟Italie, coûta cher et de qualité très inégale. Dans l‟esprit du siècle des lumières, pour des raisons économiques, d‟indépendance nationale et de recherche de technicité pour aller vers plus d‟hydraulicité, de nombreux chaufourniers se mirent à cuire des calcaires moins purs, de manière empirique, avec plus ou moins de bonheur. Et le français Louis Vicat découvrit en 1817 le principe d’hydraulicité des chaux (concernant la proportion d’argile et la température de cuisson) et publia ses travaux sans prendre de brevet. En 1824, le Britannique Joseph Aspdin déposa un brevet pour la fabrication d’une chaux hydraulique à prise rapide qu’il appela commercialement le ciment Portland, car la couleur de son produit ressemble aux célèbres pierres des carrières de la péninsule de « Portland » situées en Manche. Ce fut un ciment similaire à celui décrit par Vicat, bien que son brevet soit imprécis. Mais il fallut attendre 1840, et la découverte des principes d’hydraulicité des ciments lents (dits aujourd’hui ciments Portland) toujours par Louis Vicat (une cuisson à température de fusion pâteuse de 1 450 °C qui permit d’obtenir le clinker) pour parvenir une réelle fabrication de ces ciments modernes, et à voir apparaître ensuite une architecture de béton coffré puis de béton armé. En 1835, l’augmentation de la température de cuisson donne naissance au véritable ciment Portland. En 1838, William Aspdin (fils de Joseph) put convaincre Brunel de l‟utiliser pour réparer son tunnel sous la Tamise, ce fut la première utilisation du ciment Portland en génie civil. La première usine de ciment fut créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne sur-Mer. Le développement n’a pu se réaliser que grâce à l’apparition de matériels nouveaux, tels le four rotatif et le broyeur à boulets. Les procédés de fabrication se perfectionnèrent sans cesse, et le temps nécessaire à produire une tonne de clinker, constituant la base du ciment, est passé de quarante heures en 1870, à environ trois minutes actuellement [W.H.Duda, C.Avenier].
Matières premières
En général, nous pouvons fabriquer du ciment à partir des matériaux : calcaire, argile et ajouts minéraux.
Calcaire
Les calcaires peuvent être de pureté et de duretés variables, ils proviennent des dépôts de CaCO3 contenu dans les eaux de mer ou des lacs, dépôts provoqués par précipitation chimique ou réalisés par l‟intermédiaire d‟organismes vivants (mollusques, algue). Certains de ces dépôts soumis à une pression et à une température suffisante, ont donné des calcaires cristallins [Doc]. Il existe deux types de calcaire :
➤ Calcaire pur : celui dit « pur » contient au moins 95 % de CaO3. Il donne une chaux aérienne qui fera prise par réaction avec le gaz carbonique de l‟air ;
➤ Calcaire argileux : sa cuisson permet d‟obtenir une chaux hydraulique faisant prise par réaction de l‟eau. La chaux sera plus hydraulique et plus résistante, si le pourcentage d‟argile est plus élevé.
Argiles
Définition
Le terme argile correspond à l‟ensemble des minéraux présentant une taille inférieure à 2 µm et ayant la propriété de donner avec l‟eau une pâte qui se laisse façonner, qui devient consistante au séchage, qui durcit et qui devient plus ou moins inaltérable en présence d‟eau, lorsqu‟elle est portée à une certaine température. Dans son sens minéralogique, l‟argile est principalement composée d‟un ensemble de minéraux argileux dont des silicates d‟aluminium plus ou moins hydratés présentant soit une structure feuilletée tridimensionnelle : phyllosilicates (figure 1) ou minéraux phylliteux, soit une structure bidimensionnelle fibreuse ou hormite (sépiolite et palygorskite) ou encore unidimensionnelle amorphe (allophane). Sa structure en feuillets des phyllosilicates y induit sa plasticité, alors que celle fibreuse explique sa propriété d‟absorption. Elle est associée à d‟autres minéraux argileux et non argileux comme les feldspaths, le quartz, les carbonates, les sulfates, [Njopwouo, 1984].
Structure des minéraux argileux
Les minéraux argileux sont tous constitués d‟un empilement de feuillets tétraédriques et octaédriques entrecoupés par un espace appelé espace interfoliaire. Les feuillets tétraédriques sont agencés en mailles hexagonales et sont constitués de tétraèdres d‟oxygène entourant un atome de silicium (Si – O) ou aluminium (Al – OH). Les feuillets octaédriques sont composés d‟octaèdres formés par deux plans d‟oxygènes – hydroxyles encadrant des atomes plus larges tels : Al, Fe, Mg, Li. Les cations constituants du feuillet octaédrique induisent, selon leur valence, une modification du taux de remplissage de la couche. Ainsi, une couche octaédrique purement magnésienne par exemple, constituée donc d‟atomes de Mg2+, à un taux de remplissage de 100%, tous les octaèdres sont occupés, il s‟agit d‟argile trioctaédrique. À l‟inverse, pour une couche octaédrique purement alumineuse par exemple, constituée donc d‟atomes Al3+ , leur taux de remplissage sera au 2/3, deux octaèdres sont remplis et un laissé vide, on parle de vacance. [Njopwono, 1984].
Groupe
Du point physico- chimique, les argiles peuvent être en différents groupes :
– Groupe Kaolin : formule générale : Al2O32SiO22H2O,
– Groupe Halloysite : formule générale : Al2O32SiO24H2O,
– Groupe montmorillonite : formule générale : Al2O34SiO2nH2O,
– Groupe des minéraux argileux micacés : (ex : séricite),
– Groupe des minéraux argileux magnésiens : (ex : sépiolite).
Les argiles utilisées en cimenterie sont celles communes qui peuvent être constituées par des mélanges des groupes susénumérés.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
PREMIÈRE PARTIE : ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I: GÉNÉRALITÉ SUR LE CIMENT
I.1. Définition
I.2. Historique
I.3. Matières premières
I.3.1. Calcaire
I.3.2.Argiles
Définition
Structure des minéraux argileux
Groupe
I.3.3.Ajouts minéraux
a) Principaux ajouts minéraux inertes
b) Principaux ajouts minéraux actifs
I.4.Normalisation et classification des ciments
I.4.1.Normalisation
I.4.2.Classification des ciments en fonction de leur résistance normale
I.5.Procédé de fabrication
I.5.2.Processus de fabrication de ciment Portland
I.5.2.1. Extraction de la matière première dans la carrière et son homogénéisation
I.5.2.2. Préparation des matières premières afin de constituer le cru (ou pâte)
I.5.2.3. Cuisson aboutissant à la création du clinker
I.5.2.4 : Broyage de clinker et des ajouts pour fabriquer le ciment
I.5.2.5 : Stockage et expédition des ciments
I.6 : Chimie du ciment
I.6.1 : Notations chimiques cimentières
I.6.2: Étude de clinker
I.6.2.1 : Composition chimique du clinker
I.6.2.2 : Phases minérales du clinker
I.6.3 : Hydratation et prise du ciment CPA
I.6.3 1: Hydratation de la C3S
I.6.3.2: Hydratation du C2S
I.6.3.3 : Hydratation de l‟aluminate tricalcique C3A
I.6.3.4 : Hydratation des aluminoferrites de calcium C4AF
I.7 .Conclusion
Chapitre II : VALORISATION DES DÉCHETS d‟ANDRALANITRA
II.1: Introduction
II.2 : Définition du terme : « déchet »
II.3. Localisation et historique : « déchet d‟Andralanitra »
Source : « Auteur »
II.4.Types de déchets d‟Andralanitra
II.5. Les techniques de traitement
II.6.Conclusion
DEUXIÈME PARTIE : MATÉRIELS ET MÉTHODES
Chapitre III : MATÉRIELS ET MÉTHODES
III.1.Caractérisation des matières premières
III.1.1. Matières premières
III.1.2. Hydratation
III.2. Caractérisation du ciment
III.2.1. Analyses chimiques
III.2.2 : Détermination de la composition minéralogique
III.2.3 : Performances des ciments
III.2.3.1.Module hydraulique de Michaelis
III.2.3.2.Module silicique de Kühl
III.2.3.3Module aluminoferrique de Kühl
III.2.3.4. Indice d’hydraulicité de Vicat
III.2.3.5. Indice de saturation de Kühl
III.2.3.6. Facteur de saturation de Lea et Parker
III.2.4: Chaux libre
III.2.5. Analyse physiques
III.2.5.1. Caractérisation de la pate
III.2.5.2. Caractérisation du mortier
III.2.5.2.1 Mesure des résistances à la compression et à la flexion (EN 196-1)
III.3.Conclusion
TROISIÈME PARTIE : RÉSULTATS ET DISCUSSION
Chapitre IV : RÉSULTATS ET DISCUSSION
IV.1.Introduction
IV.2. : Caractérisation chimique du ciment
IV.2.1.Caractéristique des matières premières
IV.3: Caractérisation physique du ciment
IV.3.1: Temps de prise
IV.3.2. Résistance à la compression
IV.3.3.Résistance à la flexion
IV.4.Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE
