IDENTIFICATION DES MATERIAUX DE BASE ET DU MELANGE

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Aperçu sur la géologie de la presqu’ile du Cap-Vert

La presqu’île du Cap-Vert, qui constitue la pointe la plus occidentale du bassin sédimentaire du Sénégal, forme un éperon bordé par l’océan Atlantique. Selon un profil W-E, s’y reconnaissent plusieurs régions naturelles : la tête de la presqu’île du Cap-Vert (région de Dakar) limitée par de petites falaises côtières et dominée par les deux collines du dôme volcanique des Mamelles, dont la plus grande surmontée d’un phare culmine à 105 m, l’isthme du Cap-Vert (Rufisque, Bargny), d’altitude basse (20 à 30 m), bordé au Nord par les Niayes, à l’Est par le horst de Diass qui forme un relief peu accentué d’une centaine de mètres d’altitude, et qui se prolonge dans le Nord en direction de Kayar, ainsi que la falaise de Thiès qui borde le plateau de Thiès et qui culmine à 130-140 m d’altitude.
La morphologie de la presqu’île du Cap-Vert se caractérise par la présence de deux reliefs principaux reliés par une zone dunaire déprimée :
A l’Est, le massif de Ndiass représente un compartiment soulevé et limité par des failles. Ce massif s’élève d’Ouest en Est et culmine près de Thiéky (108 et 102 m). Au Nord, il s’abaisse entre Gap et Sandock et s’interrompt sur la ligne de la falaise côtière.
Au Sud, le horst de Ndiass fait place à une dépression appelée graben de Pout. En dehors de la région de Dakar qui est dominée par les formations volcaniques du système éruptif des Mamelles, la géologie de la presqu’île du Cap-Vert est marquée par une sédimentation plus ou moins continue d’âge Crétacé-Pliocène, dont la structure se trouve compliquée par des blocs nettement soulevés et effondrés.

Aperçu sur la géologie du massif de Ndiass

Le massif de Ndiass est la partie la plus élevée de la presqu’île du Cap-Vert aussi bien topographiquement que structuralement. C’est la zone où affleurent les niveaux les plus anciennement connus au Cap-Vert. Ces niveaux sont d’âge Maastrichtien et seraient à dominante gréseuse. En profondeur, on trouve généralement des sables qui se sont grésillés en surface. La conformité de la structure du horst serait due à son cuirassement ferrugineux qui a fossilisé le relief (Elouard, 1966).
Les séries argileuses de Thiéky sont connues depuis longtemps. Une briqueterie à la sortie de Thiéky en allant vers Popenguine les exploitait jusqu’en 1920. Ces argiles ont été utilisées par la briqueterie de Pout.
Des essais préliminaires ont donné les résultats suivants (Trenou, 1963)
-aspect en cru : marron à jaune, grasse
-retrait de séchage : 9,5 %
-retrait de cuisson : 3,7 %
-aspect en cuit : rouge clair
-poids d’eau absorbée : 6,45 g
-travaillabilité : bonne
L’argile de Thiéky possède une bonne cohésion. Additionnée d’un quart de sable en poids, elle est employée comme dégraissant. Elle possède alors un retrait de séchage de 8,5 % alors que le retrait de cuisson reste sensiblement le même, équivalant à 4 %.

Description et localisation des argiles de Sébikhotane

C’est une argile grise formant un placage mince, d’extension assez importante en direction du lac Tamna. A Sébikhotane, l’argile apparaît entre la route nationale et la voie ferrée. Elle est utilisée par une petite fabrique artisanale de briques et de poteries. A Gandoul, l’argile de couleur grise a été abondamment prospectée dans l’optique d’une cimenterie. A première vue, les réserves sont assez importantes mais leur exploitation pourrait éventuellement gêner l’antenne radio-satellite de Gandoul.
Le gisement de Sébikhotane est constitué par deux couches d’argile : une couche superficielle de couleur gris-bleu et une couche inférieure de couleur jaune.
Les essais préliminaires ont fourni les résultats suivants (TRENOUX, 1963) :
 Couche superficielle
• aspect en cru : gris, noirâtre, demi-grasse
• retrait de séchage : 4,5 %
• retrait de cuisson : 7 %
• aspect en cuit : rouge brique, orange
• poids d’eau absorbée : 16,4 g
• travaillabilité : très bonne
• observation : peut se travailler directement
 Couche inférieure
• aspect en cru : brun très foncé
• retrait de séchage : 7 %
• retrait de cuisson : 1 %
• aspect en cuit : rouge foncé
• poids d’eau absorbée : 12 g
• travaillabilité : très bonne
• observation : peut se travailler directement

Identification du mélange

Historique des géopolyméres

Pendant vingt-cinq ans, la science des géopolyméres n’était étudiée que dans un nombre restreint de laboratoires ; ce n’est que durant ces dix dernières années que la recherche mondiale sur les géopolyméres s’est développée de façon significative. Cette nouvelle situation fut présentée par le Professeur Davidovits dans sa conférence plénière sur les géopolyméres en 2010.

Définition

Le terme géopolyméres désigne des polymères minéraux synthétiques à structure tridimensionnelle de la famille des aluminosilicates. Les géopolyméres présentent une grande résistance mécanique, au feu, à la chaleur en milieu acide.
Les géopolyméres sont formés par la réaction d’un aluminosilicate avec une solution alcaline sodique ou potassique et ils sont définis comme étant des chaînes ou des réseaux de molécules minérales liés par des structures covalentes dont les charges négatives sont balancées par les cations alcalins présents dans la solution.
Selon Davidovits (2010) le fondateur de la géopolymérisation, l’ajout de la solution alcaline sur les silicates d’alumine entraîne un processus de polymérisation par liaison des oligomères qui aboutit à des polymères inorganiques similaires aux zéolites et pouvant résister aux conditions climatiques les plus défavorables. En effet, certains chercheurs leur attribuent le terme de liants alcalins du fait de leur résistance mais aussi de leur capacité adhésive.
Les matériaux de bases utilisés pour la synthèse de ces géopolyméres étaient d’abord les métakaolins, puis ils se sont élargis à toutes les sortes de source d’aluminosilicates, que ce soient des sous-produits industriels ou bien des matériaux pouzzolaniques comme les cendres, les laves volcaniques….

Structure, processus de formation et domaines d’application

 La structure d’un géopolymére se présente sous forme d’un réseau tridimensionnel d’aluminosilicates et de cation alcalin. On distingue une grande variété de ces géopolyméres qui sont constitués par des unités moléculaires différentes selon le matériau de départ.
 Les réactions chimiques qui mènent aux géopolyméres suivent tout un processus qui peut être résumé en trois étapes:
• Dissolution après hydrolyse des atomes Si et Al dans la solution alcaline c’est à dire rupture des liaisons Si-O-Al
• Réorientation des ions précurseurs en solution
• Polycondensation et polymérisation
 Les géopolyméres s’appliquent dans plusieurs domaines tels que le génie civil, la métallurgie, l’art, la décoration, l’encapsulation des déchets radioactifs…

Mise en œuvre des solutions

Lors de notre expérimentation, on a utilisé comme activant de l’hydroxyde de sodium sous forme de grain solide pur à 98 %.
La raison de notre choix, au-delà du fait que le sodium est un alcalin, c’est sa disponibilité sur le marché, son coût faible (500 FCFA/kg) et sa réactivité. L’hydroxyde de sodium sous différentes masses est mélangé avec de l’eau distillé pour obtenir des solutions de concentration différentes.
Pour réaliser cette solution d’hydroxyde de sodium à des concentrations variables appelées respectivement :
 C1 pour la solution de concentration molaire= 4 moles ou 160 g NaOH/ litre de solution.
 C2 pour la solution de concentration molaire= 8 moles ou 320 g NaOH/ litre de solution.
 C3 pour la solution de concentration molaire= 12 moles ou 420 g NaOH/ litre de solution
On détermine la masse d’hydroxyde de sodium dans une quantité d’eau distillée donnée. Pour ce faire, nous avons utilisé un volume d’eau distillé de 10l pour chaque concentration, ce qui nous a permis d’opérer le calcul suivant : m= C.M.V
Avec m= masse d’hydroxyde de sodium (en grammes) ; C= concentration de NaOH recherchée ; M= masse molaire moléculaire de l’hydroxyde de sodium (40 g/mol) et V= volume d’eau (10 litres)
On aura m1= 1600 g, m2= 3200 g et m3= 4800 g
On a constaté une saturation qui se présente sous forme de plaquette au fond de la bouteille pour les solutions de concentration C2 et C3. Ce qui nous a permis après coup de recalculer ces deux concentrations en procédant comme suit :
• Soit P2 le poids de la bouteille vide qui contient la solution de concentration C2 et P3 celui de la solution de concentration C3.
• Soit P4 le poids total de la bouteille contenant la plaquette de soude non dissoute provenant de la solution de concentration C2 et P6 celui de C3. En effet après avoir récupéré le liquide, on pèse de nouveau la bouteille avec la plaquette de soude, ce qui nous a donc donné P4 et P6.
• En faisant les différences P4-P2 et P6-P3 on aura respectivement les masses des plaquettes de soude pour les solutions C2 et C3.
• On fait le rapport entre cette masse et la masse initiale pour déterminer un coefficient qu’on affectera à la concentration théorique.
• En faisant la différence entre la concentration théorique et cette concentration, on aura une nouvelle concentration.
• Après calcul on aura C2 nouvelle= 6,4M et C3 nouvelle= 7,4M
Cependant, la soude qu’on a utilisée pour notre expérience peut causer des brûlures. D’où la nécessité de prendre beaucoup de précautions lors de sa manipulation, à savoir le port des gants, des masques, des lunettes et une blouse. La réaction est très exothermique, c’est pourquoi il importe de mettre la bouteille dans un bassin rempli d’eau pour éviter tout réchauffement.

Les essais de laboratoire

Introduction

Les essais de laboratoires sont extrêmement importants dans la mesure où ils permettent une bonne identification des matériaux et leur caractérisation. Les résultats de ces essais nous permettent de bien évaluer les performances des inserts céramiques.

Analyse granulométrique (NFP 94-056)

Définition et but de l’essai

La granularité est la réparation en poids des grains d’un matériau suivant leurs dimensions. L’analyse granulométrique permet de définir la répartition des grains constitutifs d’un échantillon par classes de tailles. Elle comprend trois étapes principales: l’échantillonnage, le lavage et le tamisage.

Mode opératoire

 On prélève 500 g à 300 g de matériau qui sera étuvé pendant 24 h.
 On procède au tamisage à l’aide de la série de tamis normalisés (figure, 2 et 3) de diamètre décroissant de haut en bas 80-64-50-40-25-16-8-4-1,6-0,8-0,4-0,16-0,8-0,4-0,16 0,08 mm
 Pour chaque tamis on pèse le refus et on détermine le pourcentage
 Une fois le pourcentage déterminé, on trace la courbe granulométrique avec en abscisse le diamètre des tamis et en ordonnée le poids cumulé ou passant cumulé. Les résultats de notre essai sont consignés sur la feuille d’essai (analyse granulométrique, voir annexe). La courbe granulométrique est caractérisée par le coefficient d’uniformité Cu de Hazen et le coefficient de courbure Cc. L’échantillon de matériau est bien gradué lorsque Cu supérieure à 4 Cc compris entre 1 et 3.

Sédimentométrie (NFP 94-057)

La sédimentométrie est employée pour définir la répartition des particules fines. Elle complète l’analyse par tamisage. La sédimentation qui est la décantation par gravité des grains d’un échantillon mis en suspension dans un liquide visqueux se réalise à des vitesses différentes selon le diamètre des grains. La loi de Navier-Stokes exprime la relation qui existe entre la vitesse de décantation et le diamètre des particules sphériques. L’essai consiste à mesurer après un temps de décantation donné, la densité de la suspension à une profondeur. Cette opération est répétée plusieurs fois afin de connaître le pourcentage des particules de différents diamètres.

Mode opératoire

On recueille le passant du tamis 0,08 mm, on l’étuve jusqu’à dessiccation complète. On prélève 20g de ce matériau et on l’imbibe pendant 24 h dans de l’eau qui constitue le liquide de suspension auquel on ajoute 1g d’héxamétaphosphate de sodium qui joue le rôle de défloculant. Enfin la suspension est placée pendant 3 min dans un agitateur mécanique. On verse dans une éprouvette de 2 litres la suspension ainsi préparée et le volume est complété par addition d’eau distillée. Puis l’ensemble est soumis à un agitateur manuel. En fin d’agitation, on relève la température de la suspension et on déclenche le chronomètre, ce qui définit le début de la sédimentation. On mesure ensuite la densité aux temps suivants: 15 s, 30 s, 1 min, 2 min, 5 min, 10 min, 20 min ,40 min, 80 min, 120 min, 24 h et 48 h.
Pour chaque lecture de densité, on calcule la concentration en pourcentage en fonction du volume de la suspension, du poids et de la densité des grains (figure 5).

Détermination des limites d’Atterberg (NFP 94-051)

Elle caractérise l’état dans lequel se trouve le matériau. Les limites d’Atterberg sont des constantes physiques conventionnelles qui marquent les seuils entre le passage d’un sol de l’état liquide à l’état plastique. On détermine la limite de liquidité WL et le passage d’un sol de l’état plastique à l’état solide et du coup on en définit la limite de plasticité WP. Ces limites ont pour valeurs la teneur en eau du sol à l’état de transition considéré.

Mode opératoire

L’opération s’effectue à l’aide d’une coupelle de casagrandé (figure 6) Après l’échantillonnage, on choisit environ 1500 g de matériaux qu’on trempe dans l’eau. Si les matériaux sont compacts, il faut 24 h au moins puis on lave avec un tamis de 0,4mm. On récupère ensuite les fines et le refus est jeté.
Le matériau est ensuite récupéré et malaxé avec de l’eau sur la table jusqu’à ce qu’on ait une pâte presque fluide et uniformément liquide.
 La limite de liquidité est déterminée à partir de la courbe de la teneur en eau en fonction du nombre de coups. En effet, cette courbe nous donne la valeur du vingt cinquième coup qui correspond à la limite de liquidité WI.
 La limite de plasticité WP est obtenue en faisant la moyenne arithmétique des teneurs en eau des fragments de rouleaux obtenus à partir de deux essais.

Essai Proctor normal (NFP 94-093)

L’essai Proctor (figure 7) permet de mesurer la teneur en eau qui permet d’obtenir après un compactage donné du matériau une valeur maximale de la densité sèche.
L’essai consiste à compacter dans un moule et suivant un processus bien défini une série d’échantillons identiques et représentatifs du sol probablement imbibé à des teneurs en eau croissantes qui favorise la mise et le serrage des grains.

Analyse des résultats et interprétation

Introduction

Les analyses granulométriques, la détermination des limites d’Atterberg et l’essai Proctor normal nous ont permis d’avoir les résultats nécessaires à la bonne conduite de notre étude. Dans ce chapitre, nous essayerons dans un premier temps de faire une présentation des résultats et dans un second temps on procédera à l’interprétation des données.

Table des matières

REMERCIEMENTS
Table des Matières
Table des illustrations
Liste des Tableaux
Liste des Symboles et Abréviation
Liste des Normes
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Description et localisation des argiles de Thiéky
1.2 Description et localisation des argiles de Sébikhotane
1.3 Description et localisation des fillers de Paki-Toglou
Chapitre 2 : IDENTIFICATION DES MATERIAUX DE BASE ET DU MELANGE
2.1-Identification des matériaux de base
2.2-Identification du mélange
2.2.1-Historique des géopolyméres
2.2.2-Définition
2.2.3-Structure, processus de formation et domaines d’application
2.2.4-Mise en œuvre des solutions
2.3. Les essais de laboratoire
2.3.1. Introduction
2.3.2 Analyse granulométrique (NFP 94-056)
2.3.2.1 Définition et but de l’essai
2.3.2.2 Mode opératoire
2.3.3 Sédimentométrie (NFP 94-057)
2.3.3.1. Mode opératoire
2.3.4. Détermination des limites d’Atterberg (NFP 94-051)
2.3.4.1 Mode opératoire
2.3.5. Essai Proctor normal (NFP 94-093)
2.4. Analyse des résultats et interprétation
2.4.1. Introduction
2.4.2. Présentation des résultats
2.4.2.1 Présentation des résultats des essais effectués sur chaque matériau
2.4.2.2 Présentation des résultats du mélange des trois matériaux avec les différentes solutions
2.4.3. Interprétation des résultats des essais géotechniques
2.4.4. Interprétation des résultats du mélange des trois matériaux
2.4.5. Interprétation des résultats de l’analyse chimique
2.4.6 Conclusion partielle
Chapitre 3 : CONFECTION DES INSERTS CERAMIQUES
3. Mise en œuvre des inserts céramiques
3.1. Mise en œuvre des inserts céramiques fabriqués par cuisson
3.1.1. Fabrication des inserts
3.1.2. Séchage des inserts
3.2. Mise en œuvre des inserts céramiques fabriqués par géopolymérisation
3.2.1. Fabrication des inserts
3.2.1.1 Processus de fabrication
3.2.1.2 Interprétation
3.2.2. Séchage des inserts
3.2.2.1. Présentation des résultats
3.2.2.2. Hypothèses et interprétations
3.2.3. Présentation des résultats
4. Mesure des propriétés mécaniques et physiques des inserts
4.1. Mesure des propriétés mécaniques
4.1.1. Résistance à la compression simple Rc (NF EN 12390-3)
4.1.1.1. Description et but de l’essai
4.1.1.2. Présentation des résultats
4.1.1.3. Interprétation
4.1.2. Résistance à la traction Rt (NF EN 13229) : Rupture par Fendage
4.1.2.1. Description et but de l’essai
4.1.2.2. Présentation des résultats
4.1.2.3. Interprétation
4.2. Mesure des propriétés physiques
4.2.1. Dureté : par l’échelle de Mohs
4.2.1.1. Description et but de l’essai
4.2.1.2. Présentation des résultats
4.2.1.3. Interprétation
4.3. Mise en œuvre du fourneau jambar
4.4. Test de combustion sur les inserts
4.4.1. But de l’essai
4.4.2. Mode opératoire
4.4.3. Présentation des résultats
4.4.4. Interprétation
4.5. Essai d’ébullition d’eau
4.5.1. Définition et but de l’essai TEE
4.5.2. Mode opératoire
4.5.3. Présentation des résultats
4.5.4. Interprétation
4.6. Comparaison technique entre les inserts céramiques
Conclusion partielle
CONCLUSION GENERALE ET RECOMMANDATIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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