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Déchets issus de l’agriculture
Les déchets issus de la combustion de produits agricoles ont été utilisés comme porosants dans la fabrication de produits de terre cuite [29,31,32,34]. À cet effet, Eliche-Quesada et al. [46] ont étudié la faisabilité de l’utilisation des cendres de combustion de biomasse (entre 10 – 30 %mass. de cosse de riz et bois) comme matériaux alternatifs dans la production de briques cuites à 900 ou 1000°C. Les résultats ont montré que l’ajout de cendre de combustion de biomasse augmente à la fois le retrait à la cuisson, la porosité ouverte (jusqu’à 10,8 % pour la cosse de riz et 7,3 % pour le bois) et l’absorption d’eau (jusqu’à 32 % pour la cosse de riz et 21 % pour le bois). D’autre part, il a été constaté une diminution de la densité apparente jusqu’à 25 % et 9,8 % pour la cosse de riz et le bois respectivement, et de la résistance à la compression jusqu’à 74,7 % et 35,7 % pour la cosse de riz et le bois respectivement après une cuisson à 900°C. Il a été conclu que l’ajout de 10 %mass de cendres de cosse de riz et 20 %mass de cendres de bois est la proportion optimale répondant aux propriétés spécifiques des normes standards des briques.
Sur la base de l’étude réalisée par Barbieri et al. [32], il a été montré que les noyaux de cerises et graines de raisin incorporés à 5 %mass dans une formulation de brique présentent de meilleurs résultats par rapport à la sciure de bois. Les auteurs ont constaté une conservation des propriétés mécaniques de la brique cuite en ce qui concerne des résistances mécaniques de l’ordre de 21 – 23 MPa avec un allégement de la brique de 7 à 10 %. Ce qui confirme leurs rôles d’agents porosants.
Concernant les cendres de canne à sucre, leur incorporation à 5 %mass provoque une légère diminution du retrait. Par contre, aucune diminution du poids de la brique n’a été observée et les propriétés mécaniques sont améliorées (les résistances à la flexion des briques cuites à 1000°C sont d’environ 28 MPa).
Nigay [33,34] a étudié l’utilisation de matières végétales dans la fabrication de briques. Il a constaté que l’incorporation des résidus agricoles comme la farine de noyau d’olive et de paille de blé a entrainé une augmentation de la porosité. De plus, la morphologie de ces pores correspond à celle des additifs organiques. Par ailleurs, cette étude a permis de mettre en évidence l’impact de la variation de la taille des particules sur les propriétés finales des produits. En effet, l’auteur a constaté que les résidus agricoles à particules fines (cas de la farine de noyau d’olive) réduisaient la taille moyenne des pores, ce qui entraine une amélioration des propriétés mécaniques de près de 40%. En revanche, les résidus agricoles à particules fibreuses (cas de la paille de blé) augmentaient l’anisotropie originelle de la microstructure, améliorant ainsi de 40% les propriétés thermiques. Ce travail a aussi montré que la combustion des matières végétales pouvait susciter un apport énergétique important. Cet apport pouvait atteindre 80 % pour une incorporation de 8 %mass de paille de blé et 90 % pour incorporation de 8 %mass de farine de noyau d’olive.
Par conséquent, l’utilisation des déchets agricoles peut présenter des avantages évidents tels que la réduction de la consommation de matières premières, l’obtention de briques à caractère isolant, etc.
Cependant, il a été conclu que l’addition de déchets agricoles est limitée à 5 %mass afin d’atteindre un équilibre entre les effets positifs (diminution du poids et augmentation de la porosité) et négatifs (augmentation de l’absorption d’eau et diminution de la résistance mécanique).
Déchets issus de l’activité industrielle
Mohajerani et al. [47] ont étudié l’incorporation de mégots de cigarette recyclée (2,5, 5, 7,5 et 10 %mass.) dans la production de briques cuites à 1050°C. Les résultats ont montré une diminution de la densité apparente des briques (jusqu’à 30 % par rapport à la référence) avec l’augmentation du taux de mégots de cigarette, accompagnée d’une augmentation considérable de l’absorption d’eau (jusqu’à 18 %). Cependant, l’augmentation de la teneur en mégots de cigarette a entrainé l’apparition de fissures et l’augmentation de la taille et du nombre de pores. Ce qui conduit à une diminution considérable de la résistance à la compression (de 25,6 MPa avec 0% à 3 MPa avec 10 % de mégots de cigarette) et de la résistance à la flexion (de 2,8 MPa avec 0% à 1,2 MPa avec 10 % de mégots de cigarette). Les résultats ont aussi montré que jusqu’à 58 % d’énergie pourrait être économisée lors de la cuisson des briques.
Finalement, les auteurs ont recommandé un ajout de 1 %mass pour une résistance à la compression optimale (19,5 MPa). Plus récemment, Halenur et al. [48,49] ont montré que l’ajout de 1 %mass de mégots de cigarette conduit à une économie d’énergie jusqu’à 10,2 % lors de la cuisson des briques. Les résultats ont aussi révélé une diminution de la résistance à la compression (de 40 à 30,8 MPa) et de la conductivité thermique (de 1,1 à 0,8 W.m−1 .K−1).
Les déchets provenant des boues d’épuration de l’industrie du textile et du papier ont aussi été étudiés dans différents travaux comme matières premières alternatives dans la fabrication de briques de terre cuite [25,28]. Dans leur travail, Herek et al. [38] ont montré que l’ajout jusqu’à 20 %mass de boue issue de station d’épuration de l’industrie du textile permet d’obtenir des briques de bonnes qualités.
Les travaux de Sutcu et al.[23,50] ont montré que les résidus issus des usines de traitement du papier peuvent être utilisés comme matériaux porosants dans la fabrication de briques. Ces résidus ont conduit à une diminution de la conductivité thermique jusqu’à 50 %, tout en maintenant les propriétés mécaniques.
Les divers déchets issus de l’industrie tels que les boues d’épuration urbaines, la bagasse, les eaux usées des pressoirs à olive, les résidus de café moulu, les résidus huileux, les boues des usines de traitement des effluents pétroliers et les boues de l’industrie de brassicole ont aussi été étudiés comme matériaux alternatifs porosants dans la fabrication de briques [25,25,28,30,51–56]. La densité apparente des briques cuites a diminué avec l’ajout des déchets en raison de l’augmentation de la porosité ouverte créée par la combustion des déchets. Comme dans le travail d’Eliche-Quesada et al. [57], les auteurs ont montré que l’incorporation de boues d’épuration urbaines, de l’industrie brassicole et de bagasse a diminué la résistance à la compression, augmentant légèrement les propriétés thermiques des briques.
L’incorporation d’eaux usées des pressoirs à olive et des résidus de café moulu a aussi légèrement
augmenté la porosité ouverte et la proportion de porosité fermée, tout en maintenant la résistance à la compression et en améliorant les propriétés thermiques des briques de 19 %.
Les travaux de Sani [44] ont porté sur les coproduits issus de différentes activités industrielles et d’ordures ménagères, les combustibles solides de récupération (CSR), composés de papier, de plastique et de morceaux de bois. Ces coproduits sont à la fois riche en matière organique et inorganique. Les résultats ont montré des interactions entre la matrice argileuse et les inorganiques du CSR conduisant à une diminution de la température usuelle de cuisson, donnant lieu à un gain énergétique allant jusqu’à 40%. Ce qui entraine une amélioration des propriétés mécaniques du mélange de fabrication de référence allant jusqu’à 32%. De plus, l’ajout de CSR a aussi permis d’améliorer les propriétés thermiques.
Cependant, les résultats ont aussi montré une augmentation des émissions de CO2 et de CO lors de la cuisson des mélanges argileux contenant du CSR et que moins de 50%mass du chlore a été transformé en HCl.
Conclusion partielle
D’une manière générale, les agents porosants les plus fréquemment utilisés dans la littérature pour la fabrication de produits de terre cuite peuvent être classés en deux groupes : organiques (sciure de bois, boue de papier, polystyrène, etc.) et inorganiques (minéraux : diatomée, calcite, etc.). Contrairement aux agents porosants inorganiques, à l’échelle laboratoire, les organiques ont l’avantage d’assurer un apport énergétique plus important lors de la cuisson. Cependant, les émissions de gaz sont les principaux inconvénients des agents porosants issus des déchets. Pour cette raison, certains auteurs comme Galán-Arboledas et al. [45] et Mymrine et al. [66] ont montré que les agents porosants inorganiques provenant de minéraux, comme les diatomées, ont moins de problèmes environnementaux mais peuvent modifier négativement la plasticité du mélange de fabrication.
Incorporation d’agents fondants provenant de déchets
Dans la littérature, le principal rôle d’un agent fondant est de favoriser la densification du matériau et le frittage lors de la cuisson, qui dans les produits de terre cuite se produisent en présence d’une phase liquide. De ce fait, un agent fondant idéal doit permettre la formation d’une phase liquide suffisamment fluide pour avoir une cinétique de densification compatible avec les temps de cuisson industriels, et en même temps suffisamment visqueuse pour éviter des déformations [67].
Dans l’industrie de la terre cuite, ces agents fondants sont des matières premières présentant une
quantité relativement élevée d’oxydes alcalins et/ou alcalino-terreux (K2O, Na2O, MgO, CaO), qui
favorisent la formation d’une phase liquide à faible viscosité à base de SiO2 au cours de la cuisson,
facilitant ainsi la densification du matériau [68]. La densification est notamment obtenue par écoulement visqueux d’une quantité suffisante de phase liquide, qui aide à la fermeture des pores entre les particules solides. Lors du refroidissement, la phase liquide à faible viscosité se solidifie favorisant ainsi la formation d’une structure plus dense et résistante. La phase visqueuse ainsi formée conduit finalement à un frittage à basse température et aussi à une amélioration des propriétés mécaniques par la fermeture de la porosité ouverte. En effet, les propriétés mécaniques dépendent de la microstructure du matériau comme la porosité, les microfissures et les changements de phase au cours de la cuisson.
Ces déchets proviennent généralement de l’exploitation minière, des industries de la métallurgie, des roches ornementales, etc. Ils ont une forte faisabilité en tant que matériaux alternatifs dans la filière de la terre cuite. L’influence de ces agents fondants sur les propriétés mécaniques (résistances à la compression et à la flexion) et physiques (absorption d’eau, densité apparente, retrait à la cuisson, porosité) a été largement étudiée dans plusieurs travaux de recherche.
Déchets contenant du bore
Les déchets de bore sont générés lors de l’extraction des minéraux de la famille des borates (la colémanite, l’uléxite, et la tincalconite) ou lors de la production de différents composés (borax et acides boriques). De nombreux travaux scientifiques ont étudiés l’incorporation des déchets de bore dans la production de produits de terre cuite [69–75]. Ces produits sont bien connus pour leur caractère fondant.
Le B2O3 se combine avec la silice et les oxydes alcalins pour abaisser la température de formation d’une phase liquide à faible viscosité à base de SiO2 contenant à la fois du bore et des alcalins et aussi pour favoriser la formation de phases cristallines telle que la B-mullite (une mullite avec du bore sous la forme Al2BSi2O19)[76].
Les déchets de bore se composent principalement de minéraux argileux, utilisés comme matières premières dans la production de produits de terre cuite et de trioxyde de bore (B2O3 jusqu’à 15 – 20 %).
Les principaux oxydes présents dans ces déchets sont B2O3, CaO, MgO, SiO2 et les oxydes minoritaires sont Al2O3, Na2O, Fe2O3, et K2O. Les déchets de bore sont d’excellents agents fondants en raison d’une teneur élevée en oxydes alcalins et alcalino-terreux, qui conduisent à de meilleures propriétés mécaniques à travers les mécanismes de frittage et de densification.
Uslu et al. [69] ont étudié la faisabilité de l’ajout de déchets de bore, issu de l’exploitation des carrières de minéraux de bore, dans la production de briques rouges. Il a été constaté que l’ajout jusqu’à 30 %mass de mélange argileux riche en bore, issu de ces déchets, permet une amélioration de la qualité des briques en ce qui concerne la résistance à la compression, l’absorption d’eau et la densité apparente. Les auteurs ont aussi constaté que des ajouts plus élevés réduisent la résistance à la compression et rendent rugueuse la surface des matériaux. Kavas [70] rapporte qu’une incorporation de minéraux argileux et de déchets fins issus de carrières d’extraction de bore (jusqu’à 15 %mass) dans des mélanges de boue rouge cause une diminution considérable de la température de cuisson et une amélioration des propriétés mécaniques des briques de boue rouge. De plus, l’utilisation d’argile et de déchets fins de bore réduit la consommation d’énergie lors de la cuisson, en particulier au cours du frittage en raison de la formation d’une phase visqueuse. La composition chimique de cette phase n’a pas été étudiée. Cependant, dans les travaux d’Abi et al. [76] les diagrammes de diffraction des rayons X à température ambiante des échantillons contenant du bore ont montré la présence de phases à base de SiO2 cristallines (par la méthode de Bail) et non cristallines. Kurama et al. [71] ont étudié le mélange de déchets de tamis d’assèchement lors de la production de borax (partie non dissoute de la tincalconite) avec de l’argile et des déchets sanitaires pour la production de produits de terre cuite. L’ajout de ces déchets permet une amélioration des propriétés physiques (diminution absorption d’eau) et mécaniques (résistance à la flexion). Cela est attribué non seulement à la présence de bore, mais aussi à la teneur élevée en oxydes alcalino-terreux dans ces déchets. Ces oxydes favorisent la formation d’une phase liquide à faible viscosité. Mais parfois, une formation excessive de phase visqueuse peut provoquer des fissures, occasionnant ainsi une réduction des propriétés mécaniques. Dans ce sens, Christogerou et al. [73] ont constaté que l’ajout de 15 %mass de déchets de bore dans un mélange argileux pressé à sec a entrainé une réduction de la résistance à la flexion à des températures de cuisson élevées (T > 950°C), en raison d’une déformation des échantillons liée à une formation de phase liquide précoce. Au contraire, un ajout de 5 %mass de déchets de bore entraine une amélioration de la résistance à la flexion. Plus récemment, dans un autre travail, Christogerou et al. [77] ont rapporté que le rôle des déchets de bore (borates) est intensifié pour une cuisson à 1000°C avec une incorporation de 3 %mass de déchets de bore tamisés.
L’absorption d’eau est réduite de 16 % et la résistance à la flexion augmentée de 27 % par rapport à la formulation de référence.
D’un autre côté, l’utilisation de déchets de production d’acide borique, le borogypse, comme agent fusible dans la fabrication de brique a été étudiée par Abi [75] pour améliorer le caractère isolant du
produit. Il a constaté que l’ajout de borogypse dans le mélange argileux a entrainé une diminution de la densité apparente de la brique. Par exemple, l’ajout de cet additif à 10 %mass a réduit la densité de 2,46 et 16,47 % après une cuisson à 800°C et 1100°C respectivement. De plus, l’ajout de 10 %mass de borogypse a conduit à une augmentation de la résistance à la compression avec la température de cuisson de 4,98 à 38,8 %. Outre la durabilité améliorée et la densité plus faible, l’utilisation de borogypse dans les briques a également entrainé une amélioration des propriétés thermiques des briques. Ce travail a montré que le borogypse pourrait être une option viable pour la fabrication de produits de terre cuite.
Par conséquent, les études portant sur l’incorporation des déchets contenant du bore dans les produits de terre cuite ont montré que non seulement cela pourrait limiter les problèmes environnementaux mais aussi améliorer la qualité des produits et/ou abaisser la température de cuisson. Cela entrainerait une réduction des coûts, de l’énergie et/ou des émissions de gaz. Cependant, un ajout maximal de 10 %mass de déchets contenant du bore est recommandé par Rehman et al. [8] pour la fabrication de briques avec de meilleures propriétés.
Résidus vitreux
Au cours de ces dernières années, l’utilisation des résidus vitreux comme agents fondants dans la fabrication des produits de terre cuite a été étudiée pour réduire la consommation d’énergie lors de la cuisson par la diminution de la température de cuisson [78–89]. Il existe une grande variété de source de résidus vitreux : les résidus provenant des verres sodocalciques utilisés dans de nombreux produits à usage alimentaire ou de vitrage industriel, des tubes cathodiques, des miroirs, d’ampoules, des bouteilles, etc. Les résidus vitreux se composent majoritairement de SiO2 (jusqu’ 72 %mass.) et minoritairement de CaO et Na2O (< 15 %mass) [8]. De nombreux travaux ont suggéré que pendant la cuisson, les déchets de poudre de verre accélèrent la densification, provoquant une diminution de la porosité ouverte qui produit des effets positifs sur les propriétés mécaniques et physiques (absorption d’eau, densité apparente, retrait).
PhonPhuak et al. [90] ont étudié l’utilisation de déchets de verre (0, 5, et 10 %mass) pour améliorer les propriétés physico-mécaniques de briques cuites à 900°C, 950°C et 1000°C. Les résultats ont montré que la résistance à la compression des briques augmente avec l’augmentation de la quantité de déchets de verre de 0 à 10 %mass. La porosité apparente et l’absorption d’eau des briques ont également diminué avec l’augmentation de l’ajout de déchets de verre. Les auteurs ont conclu qu’un ajout de 10 %mass de déchets de verre permettait une diminution de la température de cuisson de 100°C. Avec une teneur optimale de 10 %mass de déchets de verre, une brique cuite à 900°C présente une résistance à la compression similaire à celle d’une brique cuite à 1000°C sans ajout de déchets de verre. Chidiac et al. [81] ont examiné l’effet de l’ajout de déchets de verre non recyclés sur les propriétés mécaniques et la durabilité des briques cuites. Les résultats ont révélé que l’augmentation de la quantité d’ajout de déchets de verre de 0 à 15 %mass permettait une amélioration de la résistance à la compression et la durabilité des briques cuites. De plus, l’augmentation de la quantité d’ajout a aussi permis une diminution de la température de cuisson des briques de 10 à 20°C.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Étude bibliographique sur les voies d’utilisation de matières premières alternatives dans la fabrication de produits de terre cuite
I.1. Introduction
I.2. Synthèse critique des articles de revue existants
I.3. Production de produits de terre cuite à partir de matières premières alternatives
I.3.1. Incorporation d’agents porosants provenant des déchets
I.3.2. Incorporation d’agents fondants provenant de déchets
I.3.3. Incorporation d’agents fondants provenant de ressources naturelles
I.4. Conclusion
I.5. Méthodologie de recherche
Chapitre II : Matériaux et méthodes de caractérisation
II.1. Introduction
II.2. Matériaux
II.2.1. Matériaux de base de l’étude : deux mélanges argileux et un mélange de fabrication
industriel
II.2.2. Additifs
II.2.3. Préparation des échantillons sous forme de plaquettes
II.3. Méthodes de caractérisation
II.3.1. Méthodes ex-situ
II.3.2. Méthodes in-situ
II.4. Résultats de la caractérisation des mélanges argileux et des additifs à l’état de matières premières pulvérulentes
II.4.1. Caractérisation chimique et minéralogique
II.4.2. Propriétés physiques
II.4.3. Analyses thermiques
II.5. Conclusions
Chapitre III : Évolutions de la microstructure des mélanges argileux : étude par couplage de techniques in-situ
III.1. Contexte bibliographique et objectifs de l’étude
III.2. Matériaux et procédures expérimentales
III.3. Résultats et discussion
III.3.1. Suivi des transformations minéralogiques au cours de la cuisson
III.3.2. Nature de la phase visqueuse: cas du mélange de fabrication de référence MF LUD
III.4. Conclusion
Chapitre IV : Modélisation des mécanismes au cours du frittage d’un mélange de fabrication industriel
IV.1. Introduction
IV.2. Méthodes expérimentales
IV.2.1. Méthode non-isotherme
IV.2.2. Méthode isotherme
IV.3. Résultats expérimentaux
IV.3.1. Méthode isotherme
IV.3.2. Méthode non-isotherme
IV.3.3. Approche de modélisation
IV.4. Résultats du modèle cinétique
IV.4.1. Étude en isotherme
IV.4.2. Décomposition des modèles de réactions : Résultats d’une déconvolution de Fraser-Suzuki
IV.4.3. Détermination de l’énergie d’activation apparente
IV.4.4. Mécanismes réactionnels
IV.5. Conclusion
Chapitre V : Étude de l’influence de l’utilisation de différents additifs dans le comportement d’un mélange de fabrication industriel au cours de la cuisson
V.1. Introduction
V.2. Matériaux et procédures expérimentales
V.3. Résultats et discussion
V.3.1. Transformations minéralogiques au cours de la cuisson
V.4. Cas particulier de l’effet de l’ajout d’un additif de type illite (mélange argileux CO Les Paleinnes) sur la formation de phase visqueuse
V.5. Synthèse
V.6. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Annexes
VI.1. Annexe 1 : Essais de répétabilité
VI.1.1. Répétabilité des analyses thermiques et thermomécaniques
VI.2. Annexe 2 : Second cycle des essais de résonance acoustique
VI.2.1. Suivi de l’amortissement du signal au cours de la deuxième chauffe
VI.2.2. Suivi du module d’élasticité au cours du second cycle thermique
VI.3. Annexe 3 : Communications en relation avec ce sujet
Abstract
Résumé
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