Optimisation du traitement thermique d’argile par la méthode des plans d’expériences

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Effet de la chaleur sur l’argile

En présence de la chaleur, l’eau s’évapore, l’argile diminue de volume et se fend : c’est le retrait. Elle durcit d’une façon irréversible, car elle ne fait plus pâte avec l’eau comme dans les briques. Comme la plupart des matériaux de la nature, les minéraux argileux subissent de transformations de phases lors de leur chauffage. Plusieurs études ont été faites à propos de ce phénomène, notamment dans le cas des minéraux kaolinitiques.
À 100°C – 110°C Les kaolins subissent un phénomène endothermique dû au dégagement de l’eau de l’humidité. Cette transformation est accompagnée par un retrait sans modification de la structure cristallographique.
Les transformations lors de son traitement thermique sont relativement bien connues :
 Entre 200°C environ : évacuation de l’eau résiduelle de séchage.
 Entre 200°C à 400°C : décomposition des matières organiques.
 Entre 460 et 600°C, la perte de l’eau de constitution, c’est à dire des groupements OH, appelée déshydroxylation.
 Entre 950 et 980 °C, il y a une réorganisation structurale. Elle correspond à une démixtion de la métakaolinite en micro-domaines : riche en silice ou en alumine. Une structure spinelle peut apparaître dans ce dernier. Vers 1000°C-1100°C, le mullite dit primaire se forme dans les domaines riches en alumine.
 Entre 1225°C et 1275°C, le mullite secondaire (3Al2O3. 2SiO2) cristallise.
 Entre 1325 et 1450°C, au sein des domaines riches en silice, une partie de la silice résultante se transforme en cristobalite (silice quadratique).
Finalement le matériau est composé d’un mélange de phases amorphes et de cristaux (mullite et cristobalite).

Le retrait et gonflement de l’argile [12] [4]

À cause de la préparation de l’argile par adjonction d’eau, celle-ci connaît un gonflement, puis un retrait dû au séchage et à la cuisson.
Perte de longueur subie par la pâte. Le séchage de l’argile s’opère avec retrait, car au fur et à mesure que l’eau s’évapore, la masse se contracte.

Types structuraux et classification des argiles [16] [31]

Différentes classifications des phyllosilicates ont été proposées. La première, établie par l’AIPEA (Association Internationale Pour l’Etude des Argiles, 1966-1972), se base uniquement sur la charge du feuillet et sur le nombre d’atomes métalliques en couche octaédrique. La deuxième, établie par Mering et Pedro (1969) prend en compte la localisation des substituant, leurs distributions et le type des cations compensateurs.
La classification la plus classique est basée sur l’épaisseur et la structure du feuillet. On distingue ainsi 4 groupes :
Minéraux à 7 Å : Le feuillet est constitué d’une couche tétraédrique et d’une couche octaédrique. Il est qualifié de T : O ou de type 1 :1. Son épaisseur est d’environ 7 Å.
Minéraux à 10 Å : Le feuillet est constitué de deux couches tétraédriques et d’une couche octaédrique. Il est qualifié de T : O : T ou de type 2 :1. Son épaisseur est d’environ 10 Å.
Minéraux à 14 Å : Le feuillet est constitué de l’alternance de feuillets T : O : T et de couches octaédriques interfoliaires.
Minéraux interstratifiés : Les grains individuels des minéraux argileux sont de taille microscopique et sont semblables à des plaquettes. Ils présentent soit une structure fibreuse expliquant leur qualité d’absorption, soit une structure feuilletée à l’origine de leur plasticité. Cette structure en feuillets, dont la surface est bien plus importante que l’épaisseur, leur permet d’absorber de grandes quantités d’eau par adhésion, ce qui leur donne leur plasticité et fait gonfler certaines variétés. Ce feuilletage, qui présente de nombreuses variantes selon leur mode l’empilement des plaquettes élémentaires, est le principal critère de distinction de nombreuses variétés minérales : la kaolinite, l’illite, la montmorillonite, la smectite, le chlorite, la glauconite, etc…

La Kaolinite [15] [25] [31]

La formule générale du groupe des kaolinites est Al2Si2O5(OH)4. Le kaolin est l’élément fondamental dans la plupart des argiles employées dans l’industrie céramique. Le terme kaolin est d’origine chinoise, il vient de ‘‘kaoling’’ nom colline située à proximité de Yaochao-Fu dans la province de Kiangsi, où cette matière blanche et plastique a été exploitée.
Les argiles sont dites kaolinites, s’ils ont un taux d’alumine supérieur à 37%. Le feuillet élémentaire est composé par l’alternance d’une couche de silice tétraédrique et d’une couche d’alumine octaédrique.
La distance interatomique dans les deux structures est environ de 7Ǻ. La liaison entre la couche de silice et la couche d’alumine se fait par substitution de certains (OH)- par des oxygènes O2-
Le feuillet est constitué par l’empilement d’une couche octaédrique et d’une couche tétraédrique (Figure 2). L’épaisseur de l’unité structurale de ce type de feuillet est de l’ordre de 7 Å.

Les principaux paramètres de frittage

De nombreux paramètres ont une influence sur l’évolution de la microstructure d’une céramique silicatée et par conséquent sur ses propriétés (Figure 7). On peut citer :
– la composition du matériau de départ .
– la distribution de taille des grains de la poudre utilisée .
– la compacité du compact pulvérulent .
– le cycle thermique (vitesse de chauffe, température maximale, temps de palier, vitesse de refroidissement) .
– l’atmosphère de cuisson (sous air ou sous atmosphère contrôlée) .
– la pression éventuellement.

La Façonnage [12] [28]

Le façonnage est la mise en forme de la pâte pour avoir des briques.
On a plusieurs types de façonnage : manuel (avec presse manuelle), façonnage avec presse sans travail manuel (Industriel).
Notamment, pour le façonnage, on utilise deux sortes de procédés pour la mise en forme des produits : l’étirage et le pressage. L’étirage correspond en fait à un processus d’extrusion, le pressage peut intervenir directement dans la majorité des cas en complément de l’étirage.
On fabrique facilement des briques pleines à la main. Le moulage s’effectue à l’aide d’un cadre sur fond en bois. L’ouvrier mouleur pose ce cadre sur une table à un seul poteau de hauteur de 80cm environ et un morceau de planche un peu plus grande que le fond du moule. On fixe sur cette planche une autre planche de même dimension que la pièce de démoulage pour que cette pièce soit facile à retirer au démoulage, pour bien repérer la surface intérieure du moule.

Le Séchage [26] [28]

C’est une phase importante dans la chaîne de fabrication des briques en terre compressée.
Le séchage est une phase intermédiaire entre le façonnage et la cuisson. Sa durée dépend en grande partie des conditions atmosphériques. Il faudrait éviter une déshydratation trop rapide (soleil trop intense). La phase de séchage doit être progressive puisque l’évaporation de l’eau présente dans les briques doit s’évaporer lentement.
Si ces conditions ne sont pas respectées, les produits finis risquent de se fissurer.
Le séchage a pour but d’évacuer l’eau de façonnage. Les produits sont séchés avant d’être enfournés.
Le séchage des produits argileux doit évidemment s’effectuer avec un minimum de retrait. En cours de séchage, la matière argileuse se rétracte, il faut faire sécher donc lentement pour que les faces externes du produit ne sèchent pas trop vite avant que l’eau ne soit évacuée.

La Cuisson [26]

Enfin, d’après tout cela, la dernière étape de procédé de confection de briques est la cuisson. Mais pourtant, pour conférer aux produits leurs caractéristiques définitives comme la stabilité et la résistance mécanique, il est important de les porter et de les maintenir un temps suffisant à une température élevée fixée selon le mélange argileux utilisé.
À la fin du séchage, les produits à cuire sont enfournés dans un four à brique. Pour la cuisson, on se sert de la balle de riz sans oublier d’autres combustibles pour maintenir la chaleur.

Combustibles

Les briquetiers malgaches utilisent les trois sortes de combustibles suivants :
– Cuisson au bois.
– Cuisson à la tourbe.
– Cuisson à la balle de riz.
– Cuisson à la fine de charbon.

Préparation des matières premières

Après le prélèvement sur terrain, on enlève les débris végétaux de l’argile et on sèche l’échantillon au soleil jusqu’à ce qu’il soit bien sec. On vérifie encore les débris végétaux puisque leur présence dans les matières en terre cuite provoque des cassures pendant la cuisson. Donc, on doit les enlever.
Quand l’argile est séchée au soleil, on réduit les grands blocs jusqu’à la dimension minimale possible à l’aide d’une pelle si elle est encore mouillée, et à l’aide d’un marteau si elle est dure (vers l’état sec). La réduction de dimension facilite le mélange et l’obtention de matériau bien homogènes.
Les matières premières utilisées sont :
– L’argile.
– Sable.
– La chaux (fleur de chaux).

Préparation des correcteurs

Les correcteurs utilisés sont les sables et la chaux :
 Le sable : on le lave à plusieurs reprises avec de l’eau pour enlever les débris végétaux et les autres éléments d’argile comme impuretés du sable. Quand il est plus ou moins pur, on le broie et tamise à l’aide d’un tamis de diamètre de maille inférieur à 2.5mm.
 La chaux : La chaux hydraulique utilisée est une chaux hydraulique artificielle disponible sur le marché, fabriqué par l’usine.
La matière première de la confection des briques est l’argile que l’on veut dégraisser.
Lorsque les matières premières et les correcteurs sont prêts, on réalise les briques par les processus de fabrication artisanale.

Confection des briques

Par définition, la brique est un matériau de construction en forme de parallélépipède rectangle à base de terre argileuse pétrie, moulée et cuite, de couleur rougeâtre.
Pour chaque sorte de mélange d’argile, les étapes de fabrication sont égales, et consistent aux suivantes .

Dosage

Peser d’abord chaque sorte d’argile selon les poids voulus aux essais. Dans cette étude, on fait une même condition d’expérience sur la confection des briques.
Les différents échantillons d’argiles sont mélangés en proportions égales. Avant d’être mélangés, les échantillons doivent être séchés et broyés pour bien homogénéiser. Les dosages de la composition des mélanges sont les suivants .

Essai de compression

Dans cet essai nous intéresserons à la résistance à la compression sur des briques seules dans le but de vérifier leur qualité.
 Principe.
L’objet de cet essai est de déterminer la résistance nominale en compression simple des blocs de terre crue compressée.
 Mode opératoire.
Nous avons bien pris soin d’une part de placer les briques au centre de la presse pour éviter les effets non voulus de flexion jusqu’à la rupture
 Expression des résultats.
La résistance à la compression des blocs est donnée par la formule Rc = 10 x F/S dans laquelle :
Rc : est la résistance à la compression des blocs en méga pascal (MPa).
F : est la charge maximale supportée par les deux briques en kilo Newton (kN).
S : est la surface de moyenne des faces d’essai en centimètres carrés (cm²).
La résistance en compression est dans une fourchette très large et elle est comprise entre 0,8 à 10 MPa.

Table des matières

CHAPITRE I : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIE SUR LES MATIÈRES PREMIÈRES UTILISÉES POUR LA RÉALISATION DES BRIQUES ET LE FRITTAGE
I. GÉNÉRALITÉS SUR LES MATIÈRES PREMIÈRES UTILISÉES POUR LA RÉALISATION DES BRIQUES ET LE FRITTAGE
I.1 INTRODUCTION
I.2 RAPPELS ET HISTORIQUE
I.3 MATIÈRES PREMIÈRES DE LA FABRICATION DES BRIQUES
I.3.1 L’ARGILE
I.3.1.1 Définition de l’Argile
I.3.1.2 Origine des argiles
I.3.1.2.1 Erosion des roches
I.3.1.2.2 Sédimentation
I.3.1.2.3 Compaction
I.3.1.3 Caractéristiques des argiles
A. Aspects
A.1 Densité
A.2 Dureté
A.3 Couleurs
A.4 Formes
I.3.1.4 Propriétés physico-chimie des argiles
3.1.4.1 La Plasticité
3.1.4.2 Action de l’eau…
3.1.4.3 Action de l’acide
3.1.4.4 Effet de la chaleur sur l’argile
3.1.4.5 Le retrait et gonflement de l’argile
I.3.1.5 Types structuraux et classification des argiles
I.3.1.5.1 La Kaolinite
I.3.1.5.2 L’Illite …
I.3.1.5.3 Les smectites
I.3.1.5.4 Les chlorites
I.3.1.6 Utilisations
I.3.2 LA CHAUX
I.3.2.1 Définition
I.3.2.2 Différents types des chaux
I.3.2.3 Structures cristallines
I.3.2.4 Propriétés de la chaux
I.3.2.5 Principe d’obtention de la chaux
I.3.2.6 Utilisations de la chaux
I.3.3 SABLES
I.3.3.1 Définition
I.3.3.2 Stricture cristallin
I.3.3.3 Différents types du sable
I.3.3.4 Source du sable
I.3.3.5 Propriétés
I.3.3.5.1 Propriétés thermiques du sable à sécher
I.3.3.5 Caractéristiques des principaux constituants du sable
I.3.3.6 Classification du sable
I.3.4 LE FRITTAGE
I.3.4.1 Définition de frittage
I.3.4.2 Les principaux paramètres de frittage
I.4 LA FABRICATION PROPREMENT DITE
I.4.1 DÉFINITION
I.4.1.1 La brique plein
I.4.1.2 Brique silico-calcaire
I.4.1.3 Propriétés de brique silico-calcaires
I.4.2 PROCESSUCE DE FABRICATION
I.4.2.1 La Façonnage
I.4.2.2 Le Séchage
I.4.2.3 La Cuisson
CONCLUSION
CHAPITRE II : MATIÈRE PREMIÈRE ET MÉTHODE EXPÉRIMENTALES
I. INTRODUCTION
II. MATERIEUX UTILISE
A) ARGILE
A.1 Propriétés chimiques des argiles
A.2 Composition minéralogique des argiles
B) SABLE
C) CHAUX
III. MATÉRIELS
IV. CARACTERISATION ET METHODE EXPERIMENTALE
IV.1 Analyse des échantillons par fluorescence X
IV.2 Analyse granulométrie par tamisage
V. FABRICATION ARTISANALE
V.1 Préparation des matières premières
V.2 Préparation des correcteurs
V.3 Confection des briques
V.3.1. Dosage
V.3.2. Mélange
V.3.3. Moulage et démoulage
V.3.4. Séchage
V.3.5. Cuisson
V.4 Processus de fabrication de brique
V.5 Optimisation du traitement thermique d’argile par la méthode des plans d’expériences
V.5.1 Analyse des données
V.5.2 Calcules des effets et interactions
V.5.3 Intervalle de confiance des effets
V. 6 Caractérisations du produit obtenu
V.6.1 Essai de compression
V.6.2 La capacité d’absorption d’eau
CONCLUSION
CHAPITRE III : INTERPRÉTATIONS ET DISCUSSIONS DES RÉSULTATS
I. INTRODUCTION
II. RÉSULTATS DE L’ANALYSE CHIMIQUE DE L’ARGILE
III. RÉSULTATS DES ANALYSES CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES
III.1 Pour l’argile
III.2 Pour le sable
IV. RESULTATS CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES BRIQUES
IV.1 CARACTÉRISTIQUES DES BRIQUES APRÈS DÉMOULAGE
IV.1.1 Masse
IV.1.2 Teneur en eau
IV.1.3 Caractéristiques des briques après séchage
IV.1.4 Caractéristiques des briques après cuisson
IV.1.5 Masse volumique de la brique
IV.2 CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX EN ARGILE CUITE
IV.2.1 Caractéristiques physiques
IV.2.1.1 Couleur
IV.2.1.2 Température
IV.2.1.3 Forme
IV.2.1.4 Sonorité
IV.2.2 Caractéristiques mécaniques
IV.2.2.1 Résistance
IV.2.2.2 Retrait au séchage et à la cuisson
IV.2.2.3 Retrait au séchage
IV.2.2.4 Retrait à la cuisson
IV.2.2.5 La capacité d’absorption d’eau des argiles cuites
IV.2.2.6 Résistance à l’écrasement des briques
IV.2.3 Etude comparative
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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