Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Table des matières Remerciements ....................................................................................................................................... 3 Liste des abréviations .............................................................................................................................. 4 Liste des Figures ...................................................................................................................................... 5 Liste des tableaux .................................................................................................................................... 5 INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................................................... 6 CHAPITRE I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ............................................................................................ 8 Introduction............................................................................................................................................. 9 I. Les argiles......................................................................................................................................... 9 1. Origine, minéralogie et cristallochimie des argiles...................................................................... 9 a. Origine des argiles ................................................................................................................... 9 b. Minéralogie et cristallochimie des argiles ............................................................................. 10 c. Classification des minéraux argileux.................................................................................. 11 Structures de quelques minéraux argileux ............................................................................ 12 Structure de la kaolinite .................................................................................................... 13 Structure de l'illite (mica) .................................................................................................. 14 Les propriétés des argiles .......................................................................................................... 14 2. II. Structure des smectites (Ex : Bentonite) ........................................................................... 12 a. La surface spécifique ............................................................................................................. 14 b. La capacité d'échange cationique(CEC) ................................................................................. 15 c. Gonflement à l'eau ................................................................................................................ 15 Les argiles dans la céramique ........................................................................................................ 16 1. Exigences technologiques .......................................................................................................... 16 2. Techniques de fabrication ......................................................................................................... 17 III. Généralités sur les briques cuites .............................................................................................. 17 1. Fabrication des briques cuites ................................................................................................... 18 2. Propriétés physico-chimiques et mécaniques des briques ....................................................... 19 3. La durabilité des briques ........................................................................................................... 19 Conclusion ............................................................................................................................................. 20 CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES .............................................................................................. 21 Introduction........................................................................................................................................... 22 I. Matériaux de base employés......................................................................................................... 22 1. Situation géographique et géologique ...................................................................................... 22 2. Échantillonnage ......................................................................................................................... 22 1 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites 3. II. Procédure de fabrication des briques ....................................................................................... 22 Techniques de caractérisation et méthodes utilisées ................................................................... 24 CHAPITRE III : RESULTATS ET DISCUSSION ............................................................................................ 27 I. Analyse et caractérisation de la bentonite de Nador à l’état brut ................................................ 28 II. Caractérisation microstructurale des briques traitées thermiquement ....................................... 30 CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................................... 35 PERSPECTIVES........................................................................................................................................ 36 Références bibliographiques ................................................................................................................. 37 2 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Remerciements C’est avec grand plaisir qu’on réserve ces quelques lignes en signe de gratitude et de reconnaissance à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la concrétisation de ces travaux de recherche. Ce travail a été mené à bout grâce à l’apport scientifique et aux encouragements de notre professeur Pr. Mohamed LOUTOU qui nous a soutenu et prodigué ses conseils pendant le stage. Il a toujours été disponible, à l’écoute de nos nombreuses questions, et s’est toujours intéressé à l’avancée des travaux. On tient à le remercier pour son dévouement et sa persévérance. Il nous a permis de travailler convenablement au sein du laboratoire et nous a orienté tout au long du projet de fin d’étude. Avec respect et gratitude, on remercie Le chef du département Pr. Mohamed ABOUSALAMA d’avoir eu l’amabilité de nous accepter dans le bloc de recherche. Nos remerciements vont également l’ensemble des professeurs du département de chimie pour leurs enseignements et conseils tout au long de la formation SMC. On voudrait remercier aussi Mme Soumia ESSAYEH pour sa gentillesse et sa disponibilité dans le laboratoire. Elle n’a cessé de s’assurer qu’on ne manque de rien lors des manipulations en nous donnant accès au matériel dont dispose le département. Nos remerciements s’adressent également Mr. Issam JILAL et Mr. Amine BENDAHHOU pour leur aide l’analyse infrarouge à transformé de fourrier (IRTF) et le soutien technique qu’ils ont fourni. On remercie également tous nos amis et collègues pour leurs encouragements pendant toute la durée du stage. On ne laisserait pas passer cette occasion sans remercier nos proches : nos parents, frères et sœurs pour leur soutien inconditionnel et continu qui nous a beaucoup marqué. 3 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Liste des abréviations DRX Diffraction des rayons X IRTF Infrarouge à transformée de Froureir MEB Microscopie electronique à balayse EDS Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie ATD-ATG Analyse Thermique Différentielle et Thermo-gravimétrique CEC Capacité d’échange cationique BET méthode de Brunauer, Emmett et Teller Vibrations d’élongation Vibrations de déformation 4 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Liste des Figures Figure 1 : Représentation schématique du cycle des argiles dans la croûte continentale. ................... 10 Figure 2 : Représentation des tétraèdres et des octaèdres. ................................................................... 10 Figure 3 : Structure des minéraux argileux. ......................................................................................... 11 Figure 4 : Structure chimique de la montmorillonite. .......................................................................... 13 Figure 5 : Représentation schématique de la structure de la kaolinite. ................................................ 13 Figure 6 : Représentation schématique de la structure de l'illite. ......................................................... 14 Figure 7 : Schéma de fabrication des matériaux céramiques. .............................................................. 17 Figure 8 : Croquis des étapes de production des briques cuites. .......................................................... 18 Figure 9 : Principe de d’application de la loi de Bragg. ....................................................................... 24 Figure 10 : Dispositif d’analyse thermique ATD-ATG couplées. ....................................................... 25 Figure 11 : Schéma représentatif d'un microscope électronique à balayage. ....................................... 26 Figure 12 : Schéma de principe d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). ....... 26 Figure 13 : Micrographie et cartographie MEB de la bentonite brute avec les agrandissements de 500, 1000 et 8000. .......................................................................................................................... 29 Figure 14 : Spectre infrarouge de la bentonite de Nador. .................................................................... 29 Figure 15 : Diffractogramme des rayons X des briques traités thermiquement. .................................. 31 Figure 16: Courbes d’analyse thermogravimétrique (ATD-ATG) des matériaux étudiés. .................. 31 Figure 17: Micrographies MEB de la bentonite cuite à 1000 et 1100 °C. ........................................... 32 Figure 18: Spectres IRTF de matériaux frittés dans l'intervalle [900-1100 °C]. .................................. 32 Figure 19 : Évolution des propriétés physiques des briques calcinées en fonction de la température de cuisson. .................................................................................................................................................. 33 Figure 20 : Variation des propriétés mécaniques (résistance à la flexion) des briques frittées en fonction de la température employée. ................................................................................................... 34 Liste des tableaux Tableau 1 : Pourcentages approximatifs des minéraux qui composent la croûte terrestre..................... 9 Tableau 2 : Surface spécifique de quelques minéraux argileux. .......................................................... 15 Tableau 3 : CEC de quelques minéraux argileux. ................................................................................ 15 Tableau 4 : Les principales conséquences liées à la minéralogie de l’argile [32]................................ 17 Tableau 5 : Propriétés physico-chimiques et mécaniques des briques standard. ................................. 19 Tableau 6 : Résumé des bandes infrarouge associées à la bentonite de Nador. ................................... 30 5 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites INTRODUCTION GENERALE Depuis l’antiquité, l’argile fut le matériau le plus anciennement utilisée par l’homme. Elle trouve emploi dans la fabrication de la plupart des objets utiles dans la vie quotidienne. Le mot « argile » n’a pas d définition consubstantielle. Il englobe deux notions chacune lié à la discipline correspondante : La première liée à la minéralogie et plaçant l’argile comme roche sédimentaire, composée minéraux aluminosilicates plus ou moins hydratés. La deuxième en relation à la taille des grains et rangent les argiles comme tout sol qui contenant un certain pourcentage de minéraux argileux de faible granulométrie (< 2 m). Selon leurs compostions, le processus de sédimentation ainsi que l’origine, les roches argileuses différent de propriétés, de nomenclature et d’applications industrielles. Récemment, les argiles et surtout ceux riches en SiO2 et Al2O3 ont connu connus un essor dans divers domaines d’application : construction (briques, agrégats légers, liants hydrauliques…etc), céramique industrielle (membrane filtrante, pots d’échappement…etc), l’agroalimentaire et industrie pharmaceutique (prothèses, adsorbants…etc) [1–3]. Les performances du produit céramique fabriqué dépendent de plusieurs paramètres qui sont liés principalement à la nature des matières premières utilisées. En effet, tout gisement d’argile possède ses propres caractéristiques faisant de lui une matière géo-sourcée. En conséquence, la sélection préalable de l’argile est donc indispensable avant d’entamer la fabrication et/ou le façonnage des produits souhaités. Ainsi, le site de fabrication est souvent implémenté à côté du dépôt argileux jugé convenable à l’application considérée [4]. Le domaine de la construction, considérée comme grand consommateur de matériaux argileux, est encore en voie de développement dans notre pays. Les briques, matériaux principale de la construction, ont été utilisées pour la première fois en 8000 av. J.-C tandis que les briques d'argile traitées thermiquement (cuites) ont été utilisées dès 4500 av. J.-C. [5,6]. Il a été rapporté que qu'environ 1390 milliards d'unités de briques est produites annuellement et la demande de ce produit augmente continuellement [7,8]. La majorité des briques sont produites à partir d'argiles avec un traitement thermique (cuisson) au four à de hautes températures. Ce traitement thermique est généralement accompagné d’une étape appelée « frittage » qui se produit souvent dans le domaine de température [900-1200°C]. Le frittage est une succession de transformations physicochimiques et microstructurales qui entraînent la consolidation de du produit céramique [9–11]. 6 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites En effet, sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui forme la cohésion de la pièce et par conséquent ses propriétés mécaniques [12]. Ces dernières sont très importantes puisque le domaine d’application du matériau céramique dépend fortement de sa résistance mécanique. Au Maroc, la production totale des briques a été estimée en 2007 à 5.000.000 tonnes. En 2004, les statistiques ont montré que l’activité de fabrication des briques emploie 24000 personnes (5% de l’effectif global du secteur industriel) avec presque 650 établissements répartis à travers le royaume. Dernièrement, ce secteur industriel souffre de deux inconvénients majeurs : Une grande consommation d'énergie et une pénurie d'argile dans des parties localisées du monde. Pour remédier à ces problèmes, certains chercheurs étudient des méthodes nouvelles pour produire des briques d’argile performantes à température moyennes [6,13]. Cette étude a pour objectif d’exploiter une des ressources argileuses de la région de Nador (bentonite) dans la fabrication des briques d’argile, puis d’examiner les propriétés technologiques et mécaniques des produits finaux à différentes températures. Le matériau brut utilisé dans cette étude est la bentonite, argile présente en abondance dans la Région de Rif (Nador). Il s’agit d’une argile gonflante, d'origines volcanique et hydrothermale, de type smectite et de formule (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2(H2O)n [14]. Le présent manuscrit repose sur trois chapitres, le premier se focalise sur la revue bibliographique. Le deuxième chapitre aborde les matériels et les méthodes employées à la réalisation du travail. Le troisième et le dernier est consacré à l’analyse et la discussion des résultats obtenus. 7 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Chapitre I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 8 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Introduction Ce chapitre donne un regard sur la notion d’argiles, leurs types et leurs propriétés ainsi que leur emploi dans l’industrie de la céramique avant de passer aux briques cuites pour aborder leur fabrication et leurs propriétés. I. Les argiles 1. Origine, minéralogie et cristallochimie des argiles a. Origine des argiles L'argile provient de l'érosion des roches constituant la croûte terrestre. Cette érosion est permanente et continue de façon planétaire. Chaque jour se forme plus d'argile que l'humanité ne peut en extraire pour ses applications industrielles. Des centaines de minéraux, qui différent par leur structure chimique, composent la croute terrestre. Cinq minéraux seulement entrent pour plus de 90 % dans la composition de la croûte terrestre (Tableau 1). Le minéral plus commun entre d’eux est le feldspath. Tableau 1 : Pourcentages approximatifs des minéraux qui composent la croûte terrestre. Eléments Silice (SiO2) Alumine (Al2O3) Oxyde de fer (Fe2O3) Oxyde de calcium (CaO) Oxyde de sodium (Na2O) Oxyde de magnésium (MgO) Oxyde de potassium (K2O) Oxyde de titanium (TiO2) Eau Divers Teneur (%) 59,00 15,30 7,00 5,00 3,80 3,50 3,1 1,00 1,00 1,10 La pluie est considérée l’agent clés dans ce processus d’érosion. L’eau petit à petit lessive les roches des matières solubles qu'elle contient et les transportes à la mer. La présence du sel dans la mer est la preuve du pouvoir dissolvant de l'eau de pluie sur les minéraux. En plus de son action chimique comme solvant, l'eau a une action mécanique (abrasion et désintégration des roches en particules de plus en plus petites). L'argile est le produit de ce brassage géologique (Figure 1) [15,16]. 9 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Figure 1 : Représentation schématique du cycle des argiles dans la croûte continentale. b. Minéralogie et cristallochimie des argiles Les minéraux argileux sont des aluminosilicates (AlO4 + SiO4) plus ou moins hydratés. Ces minéraux sont les principales composants principaux des roches argileuses [17] et ont une structure en feuillets, d'où leur appellation de phyllosilicates (terme issu du grec signifiant : qui a l'aspect de feuille). Ces feuillets étant bidimensionnels, ils sont constitués de deux types de couches : octaédrique et tétraédrique. Les minéraux argileux sont tous conçus à partir d'un empilement de feuillets tétraédriques et octaédriques entrecoupés par un espace appelé espace interfoliaire [18]. Le plan de tétraèdres, noté T, est composé de tétraèdres d’atomes d’oxygène autour de chaque atome noté Z (figure 2). Figure 2 : Représentation des tétraèdres et des octaèdres. 10 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Chaque tétraèdre partage trois de ses atomes d’oxygènes avec les autres tétraèdres adjacents formant ainsi un réseau plan hexagonal. Les sommets et les bases des tétraèdres sont dans les mêmes plans. Chaque oxygène de la base est lié à deux atomes de silicium par une liaison covalente [19]. Le plan d’octaèdres, noté O, est formé par des atomes d’oxygène et des groupements hydroxyles autour de chaque atome noté M. Ces octaèdres (figure 2) forment un réseau hexagonal répété infiniment dans le plan du feuillet. L’association des couches tétraédrique et octaédrique constitue un empilement compact présentant des cavités octaédriques dans lesquelles peuvent se loger des ions bivalents ou trivalents (figure 3) [18]. Figure 3 : Structure des minéraux argileux. Lorsque tous les octaèdres sont occupés par un ion Si4+, la neutralité électrique du feuillet est obtenue de deux façons : Soit toutes les cavités octaédriques sont occupées par un cation bivalent. Soit deux tiers des cavités octaédriques sont occupées par un cation trivalent. Classification des minéraux argileux Différentes classifications des phyllo-silicates ont été proposées. Chaqu’une se base sur des critères différentielles pour répartir les minéraux argileux, à savoir : la charge du feuillet et sur le nombre d’atomes métalliques en couche octaédrique. la localisation des substituants, leurs distributions et le type des cations compensateurs. 11 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites La classification la plus utilisée prend l'épaisseur et la structure du feuillet comme base différentielle. Quatre groupes sont ainsi distingués : 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 couches 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 inter-stratifiés : L’épaisseur du feuillet est variable. Ces minéraux résultent du mélange régulier ou irrégulier d’argiles appartenant aux groupes ci-dessus [20]. c. Structures de quelques minéraux argileux Structure des smectites (Ex : Bentonite) Les smectites découlent des phyllo-silicates de type 2:1 ou TOT (une couche d'octaèdres entre deux couches de tétraèdres). Des substitutions isomorphes dans leur structure cristalline permettent d'obtenir différentes argiles smectiques, parmi lesquelles la montmorillonite, le principale minéral argileux constituant la bentonite [21]. Du fait de leur hydratation, et selon le cation interfoliaire, les feuillets peuvent être très éloignés les uns des autres et la structure des smectites se modifie au cours de l’hydratation. Les cations interfoliaires que l’on retrouve le plus souvent à l’état naturel sont généralement échangeables et plus ou moins hydratés (principalement Na+, Ca2+, K+ et Mg2+). L’insertion dans les cavités hexagonales est gouvernée par le rayon ionique des cations. Par exemple Les cations Rb+ et Cs+ ne le peuvent pas car ils possèdent un rayon ionique supérieur à la taille de la cavité hexagonale tandis que le cation K+ possède une taille qui lui permet de rentrer partiellement dans la cavité. Il peut ainsi atteindre une position proche de ces cavités et établir des liaisons avec deux oxygènes. Ferrage et al., (2007) a rapporté que les positions de ces cations peuvent être suivies par la diffraction des rayons X [22]. 12 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Figure 4 : Structure chimique de la montmorillonite. Structure de la kaolinite La kaolinite est considérée comme un minéral 1:1 (figure 5). Elle est constituée d’un arrangement de couches alternées de feuillets en tétraèdre (silice) et de feuillets en octaèdre (aluminium). Un cristal de kaolinite est constitué d’un assemblage de quelques couches de base de 7 Ǻ d’épaisseur [23]. La formule théorique de la kaolinite est : Si4Al4O10(OH)8. Figure 5 : Représentation schématique de la structure de la kaolinite. 13 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Structure de l'illite (mica) L’illite, comme la montmorillonite, a une structure 2:1 (figure 6). Cependant, les espaces entre les couches sont reliés par des atomes de potassium (K). L'illite a une équidistance basale d’environ 10 Å [24]. Sa formule chimique est (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)]. Figure 6 : Représentation schématique de la structure de l'illite. 2. Les propriétés des argiles Les minéraux argileux se caractérisent par trois propriétés principales : Leur grande surface spécifique. Capacité d’échange cationique (CEC). Capacités d’adsorption d’eau et de gonflement. Effectivement, la fine taille des grains d’argiles leur confère une surface importante par rapport au volume des particules [25]. Cette surface croit relativement avec la diminution du diamètre. En général, la surface des minéraux argileux est supérieure à celles de minéraux de même taille mais de forme différente. Les propriétés des argiles, sont principalement contrôlées par leur surface interne et externe [26]. a. La surface spécifique La surface spécifique d’une poudre d’argile est la surface développée par l’ensemble des grains. Il s’agit d’un facteur important pour le choix des voies d’application. Ce paramètre est souvent mesuré par la méthode de Brunauer, Emmett et Teller (BET) qui correspond à la fixation d’un gaz (azote) à basse température sur la surface de chaque grain [27]. 14 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Le tableau 2 donne des valeurs caractéristiques des surfaces des grandes familles argileuses. La surface totale comprend la surface externe, comprise entre les particules argileuses, et la surface interne, correspondant à l’espace interfoliaire. Les smectites ont les surfaces totales maximales : Surface : Smectites > Vermiculites >>> Illites > Kaolinites = Chlorites. Tableau 2 : Surface spécifique de quelques minéraux argileux. Argile Smectite Vermiculite Ilite Kaolinite Chlorite Surface spécifique (m2/g) Interne Externe Totale 750 50 800 750 <1 750 50 25 30 0 15 15 0 15 15 b. La capacité d'échange cationique(CEC) La capacité d’échange cationique (CEC) mesure la capacité d’une argile à échanger des cations avec l’eau du milieu. Elle mesure la concentration en cations non fixés dans la couche diffuse1 et dépend de la charge totale (c’est-à-dire, charge de surface et structurale). La CEC est fonction du pH et est généralement donnée pour un pH neutre (pH ≈ 7). Elle détermine la quantité maximale d’ions de la solution qui peut être adsorbée (effet de saturation) et régule dans une certaine mesure le phénomène de compétition entre les ions pour la neutralisation des sites [28]. Le tableau 3 montre quelques valeurs d CEC pour certains minéraux argileux. Tableau 3 : CEC de quelques minéraux argileux. Minéral argileux Smectites Vermiculites Illites Kaolinite Chlorite CEC (meq/100g) 80-150 120-200 10-40 1-10 <10 c. Gonflement à l'eau Le gonflement consiste en une séparation des feuillets jusqu’à une distance interfoliaire d’équilibre sous une pression donnée. En raison de la présence de cations hydratables dans les galeries interfoliaires, des molécules d’eau peuvent pénétrer entre les feuillets et les écarter en conférant à toute la surface un caractère hydrophile. Les facteurs qui conditionnent le processus d’hydratation des argiles sont : 15 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites La nature et la structure de l’argile. La nature et la charge du cation compensateur. La nature et la position de la substitution. II. Les argiles dans la céramique Le terme générique de « céramique » (du mot grec : keramos signifiant « argile ») désigne l’ensemble des matériaux constitués de phases inorganiques et non métalliques. Les céramiques doivent leurs qualités distinctives tant à leur composition qu’à leur modalités d’élaboration. Deux grandes catégories de céramiques peuvent tout de même être distinguées : Les céramiques traditionnelles : issues de matières premières naturelles (argile, feldspath, kaolin, quartz) et généralement mises en œuvre par coulée (barbotine) suivi d’une cuisson. Par exemple : les faïences, terres cuites et porcelaines, …etc. Les céramiques techniques : mises en forme à partir d’une poudre synthétisée ou modifiée par voie chimique. La densification et la consolidation de la céramique sont obtenues par un traitement thermique appelé frittage. Le frittage est un traitement thermique avec ou sans application de pression externe, lors duquel un ensemble de particules individuelles ou un corps poreux se densifie jusqu’à un état de compacité maximale [29]. Dans une conception générale et moderne les céramiques sont définies comme des matériaux non métalliques et inorganiques. 1. Exigences technologiques Les exigences technologiques que requiert l’élaboration d’un matériau céramique reposent sur la granulométrie, la composition chimique et/ou minéralogique de la matière première employée [30,31] : Granulométrie : Elle intervient dans l’aptitude des argiles au façonnage, au séchage et à la cuisson. Composition minéralogique : Elle peut avoir certaines conséquences sur les propriétés du produit final et sur le procédé de fabrication. Composition chimique : Les proportions des éléments chimiques des argiles jouent un rôle primordial dans la qualité des produits fini. 16 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Tableau 4 : Les principales conséquences liées à la minéralogie de l’argile [32]. Minéral argileux Kaolinite Illites Smectites Quartz Carbonates Conséquence Plasticité et cohésion Augmente la plasticité Possède une bonne plasticité Possède une très bonne plasticité et grande cohésion Réduit la plasticité et la cohésion Effet dégraissant Difficulté au séchage Limitée Moyenne Grande Limitée Limitée 2. Techniques de fabrication L’élaboration est spécifique à chacune des familles de matériaux céramiques, celles-ci se distinguant précisément par leur mode d’élaboration. Celle-ci se fait soit par frittage soit par fusion, à relativement haute température, ou soit par prise, à la température ambiante, pour les liants minéraux. Quand l’un des composants reste à l’état solide lors de la cuisson, le procédé est appelé frittage. Il a lieu avec ou sans formation de phases vitreuses selon qu’il y a fusion ou non d’un ou plusieurs composants. C’est ce qui se produit au cours de l’élaboration des céramiques traditionnelles et des céramiques techniques. En revanche, quand il y a fusion de tous les composants, le procédé est appelé fusion; c’est le cas des verres par exemple. En ce qui concerne les liants hydrauliques, les matériaux n’acquièrent pas leur cohésion par cuisson mais grâce à des réactions d’hydratation des composés présents qui conduisent à l’établissement de liaisons de forte intensité entre les particules constituant le liant ; on parle de prise du liant [33]. De ce qui précède, la plupart des produits céramiques ont en commun le fait de mettre en œuvre le même schéma de fabrication : Figure 7 : Schéma de fabrication des matériaux céramiques. III. Généralités sur les briques cuites La brique en terre cuite est le matériau de construction que l'on obtient en portant à une température appropriée - la température de frittage – une portion d'argile préalablement mise en forme. 17 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Les briques parmi les éléments les plus importants dans le domaine de la construction. Les matériaux de terre cuite ont été utilisés depuis plusieurs siècles, ils se sont adaptés à l'évolution de la construction et à ses impératifs, dans le domaine traditionnel industriel. Ils sont fabriqués à partir d'argile devenant souvent rouge à la cuisson (sauf les argiles calcaires dont la couleur de cuisson varie du rose à jaune et blanc). 1. Fabrication des briques cuites La fabrication des briques passe généralement par cinq étapes principales : l'extraction des argiles, la préparation des argiles, le façonnage, le séchage et la cuisson. La figure 8 illustre ces étapes successives. Figure 8 : Croquis des étapes de production des briques cuites. Au cours de la cuisson, les matières premières subissent des réactions sous l’effet de la chaleur et des phénomènes de diffusion. La chaleur provoque des modifications de masse volumique, de porosité, de dureté et de dimensions. Elle provoque également des déshydratations, des décompositions et des combinaisons qui modifient les propriétés comme suit : De l’ambiante à 200 °C : Evacuation de l'eau résiduelle (séchage). De 200 à 450 °C : Décomposition de matière organique. De 450 à 650 °C : Début de décomposition des minéraux argileux avec départ de l'eau de constitution. De 650 à 750 °C : Décomposition des carbonates. De 750 °C et au-delà : Néoformation de phases minérale et changement microstructural. 18 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites 2. Propriétés physico-chimiques et mécaniques des briques Les propriétés physico-chimiques et mécaniques des briques de cuites sont régies par leur microstructure finale après traitement thermique. Certaines de ces propriétés relatives à une brique standard sont citées dans le tableau (5) ci-dessous. Tableau 5 : Propriétés physico-chimiques et mécaniques des briques standard. Résistance thermique des briques creuses 5 10 Epaisseur (cm) 2 R (m .°C/W) 0,1 0,2 Propriétés d’une brique creuse 20 0,39 25 0,55 Masse volumique (kg/m3) 1750 - 2050 < 15% Absorption d'eau 41 - 58 Isolation acoustique (dB) 4- 8 Résistance à la compression (MPa) Propriétés des briques pleines et perforées Masse volumique (kg/m3) 1650 - 2000 30 - 80 Absorption d'eau (%) 41 - 54 Isolation acoustique (dB) 12,5 - 40 Résistance à la compression (MPa) Résistance thermique des briques pleines R (m2.°C/W) Epaisseur (cm) 5,5 0,05 10,5 0,09 22 0,2 Résistance thermique des briques pleines 2 R (m .°C/W) Epaisseur (cm) 20 0,52 30 1 35 1,21 3. La durabilité des briques La durabilité des briques est une caractéristique assez importante qui peut favoriser certains types de briques vis-à-vis d'autres. Une durée de vie indéfiniment longue est une nécessité dans le secteur de la construction. Le facteur principal influençant la durabilité d’une brique est sa sensibilité vis-à-vis de l’eau. Les pluies, les remontées capillaires et la condensation sont les principales sources d'humidité qui pourraient potentiellement nuire à ce matériau. Pour améliorer la durabilité des produits en terre crue, les chercheurs ont pensé à une stabilisation chimique. Cette dernière s’effectue par ajout de d’agents stabilisants dont le rôle 19 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites et réduire la sensibilité de la terre crue par rapport à l’eau. Plusieurs travaux de recherche ont évalué l'effet des stabilisants sur les propriétés de ce matériau [34]. Ils ont testé l'efficacité des différents matériaux de construction dans l'atténuation de l'humidité relative à l'intérieur, à l'aide d'une chambre climatique expérimentale. Les matériaux les plus performants hygroscopiquement sont le bois et un mélange de bentonite et de la perlite [42]. Conclusion Comme il a été mentionné au premier paragraphe de ce chapitre, les minéraux argileux ou tout simplement les argiles sont d'une diversité minéralogique et chimique inégale, ce qui offre de différentes propriétés aux argiles, la chose qui laisse la porte ouverte à son utilisation dans tous les domaines de la vie quotidienne, que ce soit la construction, l’environnement, la médecine ou d'autres domaines où les argiles peuvent être utilisées. Concernant les briques, matériau le plus bénéficiant de la diversité des argiles, elles sont caractérisées par leur simple processus de fabrication composé de cinq étapes et basé sur le phénomène de la consolidation entre les grains de l'argile employée lors de la cuisson. Les briques offrent de bonnes propriétés physico-chimiques et mécaniques, que ce soit de l'isolation acoustique ou thermique ou bien de la résistance mécanique, leur performance est toujours à la hauteur de la noblesse de ce matériau très ancien mais très développé aujourd'hui et très adaptés au développement de la mode de vie de l'être humain. 20 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Chapitre II : MATERIELS ET METHODES 21 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Introduction Ce chapitre donne d'abord une idée générale sur la matière première (l'argile) ainsi que les méthodes utilisées dans ce travail, avant de présenter la définition des techniques de caractérisation employées. Matériaux de base employés I. 1. Situation géographique et géologique La bentonite utilisée dans cette étude, a été collectée à Tidiennit, région située à 17 km au sud-ouest de Nador, au Maroc. Cette ressource naturelle est liée au volcanisme de l'âge Néogé Gourougou. Sa couleur apparaît comme étant blanche à blanc jaunâtre. L'échantillon a été concassé en petits fragments, broyé en poudre et tamisé à travers un tamis de 160 μm. 2. Échantillonnage L'échantillonnage de sol pour analyse au laboratoire doit être fait de telle façon que l'échantillon résultant soit représentatif d'un emplacement précis et avoir un volume suffisant pour les besoins d’analyse. Dans notre cas, le prélèvement d’échantillons a été effectué sur cinq différents points du site de gisement. Les échantillons prélevés ont subi une préparation mécanique, c’est-à-dire un criblage suivi d’un concassage et un broyage. Les cinq prélèvements ont ensuite été mélangés pour donner lieu à un seul échantillon homogène et représentatif du site considéré. 3. Procédure de fabrication des briques Après son extraction, la bentonite passe par plusieurs étapes pour devenir une brique : 1ère étape Concassage de la roche extraite à l'aide d'un pilon jusqu'à l'obtention de petites particules d'argile. 22 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites 2ème étape 3ème étape 4ème étape Broyage des grossiers obtenues en première étape à l’aide d'un mortier en porcelaine jusqu’à avoir une poudre. Tamisage à l'aide d'un tamis de 160 μm. Obtention d’une poudre fine d'argile prête à être mouler. Pesée de 6 g de la bentonite avant introduction le moule. Pressage uni-axiale dans une presse hydraulique à une pression de 30 KPa. Le pressage est maintenu 5ème étape pendant une durée de temps pour donner une coalescence à l'échantillon. Le dépressage se fait lentement pour éviter le phénomène de choc. 6ème étape Séchage des briques avant introduction dans le four. 23 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Récupération des briques à la fin du cycle 7ème étape II. thermique. Techniques de caractérisation et méthodes utilisées Ce paragraphe est un aperçu général sur les différentes méthodes de caractérisation employées. Dans ce travail, cinq technique de caractérisation ont été utilisées : la diffraction des rayons X (DRX), l’analyse thermogravimétrique (ATD-ATG), l'infrarouge à transformée de Fourrier (FTIR), la microscopie électronique à balayage (MEB) et les propriétés mécanique. L’investigation des constituants semi-cristallins présents dans les échantillons étudiés a été réalisée par la diffraction des rayons X (DRX). L’obtention des spectres DRX s’effectue suivant la loi de Bragg (Figure 9) : × × () = × . Avec, λ : Longueur de l’onde employée, n : ordre de la diffraction et d : distance interréticulaire. L’appareil utilisé pour cet analyse est un diffractomètre de types Philips X'Pert MPD couplé d’une anode en cuivre (K=1,5418 °A). Le temps de balayage proposé était de 1 seconde alors que le pas effectué est de l’ordre de 2 = 0,013°. Le dépouillement des spectres DRX a été fait via le logiciel Highscore. Figure 9 : Principe de d’application de la loi de Bragg. 24 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Le suivi du comportement thermique de la bentonite a été effectué par l’analyses thermogravimétriques (ATD-ATG) avec un appareil Setaram Setsys 24 fonctionnant à l'air à une vitesse de chauffe de l’ordre de 5 °C/min et un refroidissement libre à four éteint. Le creuset de référence est un creuset d’alumine (figure 10). Figure 10 : Dispositif d’analyse thermique ATD-ATG couplées. Les observations à l’échelle microscopiques ont réalisées par microscopie électronique à balayage (MEB) moyennant un appareil JEOL JSM-5500 équipé d'un détecteur EDS (Falcon EDAX) (Figure 11). L’énergie du faisceau électronique, délivré par un canon à électrons, a été fixée à 15 kV. Une métallisation en or précède tout passage d’échantillons afin d’acquérir des images visibles et appropriées. 25 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Figure 11 : Schéma représentatif d'un microscope électronique à balayage. L’analyse des fonctions chimiques présentes dans le matériau a été faite par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) qui se base sur la détection des vibrations caractéristiques des liaisons chimiques. L’analyse a été menée dans l’intervalle [4000-400 cm-1] par un spectrophotomètre Bruker Vertex 70 (Figure 12). A cet effet, 1 mg de l’échantillon a été mélangé avec 99 mg de KBr. Plusieurs balayages ont été faits avant l’enregistrement des spectres IRTF. Figure 12 : Schéma de principe d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). 26 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Chapitre II : 27 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Analyse et caractérisation de la bentonite de Nador à l’état brut I. En se basant sur les résultats de la diffraction des rayons X (DRX) représentés dans la figure 12, les phases minérales que constitue la bentonite de Nador sont comme suite : quartz (SiO2), dolomite (CaMg(CO3)2), illite ((K,H3O)Al2Si3AlO10(OH)2), montmorillonite ((Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2nH₂O), et l’hématite (Fe2O3). Figure 13 : Diffractogramme des rayons X de la bentonite de Nador. () : dolomite, (x) : quartz, (+) : illite, (*) : montmorillonite and (°) : hématite. Les examens par microscopie électronique à balayage a montré que l’argile utilisée dans cette étude présente une morphologie sous forme de particules isolés et d’apparence divergente (Figure 14). En outre, des grains euhédrique avec une distribution granulométrique dans le domaine [1-10 μm]. La forme pointue connue de la montmorillonite n’a pas été observé suggérant une localisation préférentielle. 28 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Figure 13 : Micrographie et cartographie MEB de la bentonite brute avec les agrandissements de 500, 1000 et 8000. L’analyse infrarouge à transformée de fourrier (IRTF) a corroboré les résultats obtenue par DRX. En effet, le spectre infrarouge de la bentonite (Figure 15) a permis d’établir : l’existence de l’eau d’hydratation ainsi que celui lié à la structure, l’apparition des groupements carbonate (CO32-) et hydroxyle (-OH) liés à la dolomite et la montmorillonite respectivement. Le tableau 6 résume l’ensemble des bandes extraites du spectre mentionné. Figure 14 : Spectre infrarouge de la bentonite de Nador. 29 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Tableau 6 : Résumé des bandes infrarouge associées à la bentonite de Nador. Nombre d’onde (cm-1) 725 Attribution →Vibrations de déformation des feuillets octaédriques − − 795 971 983 1430 II. (Si-O)→Vibrations d’élongation du réseau silicaté (quartz) ( − )→Vibrations d’élongation de la dolomite 1646 3544 Vibrations d’élongation de la smectite (Montmorillonite) 3614 (OH)→Vibrations d’élongation des groupements OH internes − →Vibrations de déformation de l’eau présent dans la structure Caractérisation microstructurale des briques traitées thermiquement En se référant à la composition minéralogique de la bentonite naturelle (non traitée thermiquement) et les résultats de l'analyse par diffraction des rayons X des échantillons cuits (Fig.16.), on remarque que la dolomite, l’illite et la montmorillonite se sont décomposés à T <900 °C. Ce résultat était en accord avec les analyses thermiques (Fig.17.) qui présentaient un fort pic endothermique autour de 855 °C attribuable à la décomposition des carbonates. La perte de poids accompagnant cette décomposition était d'environ 9,59% massique. Le quartz a résisté au chauffage et a été identifié dans tous les échantillons. L'anorthite, la chaux et la portlandite étaient les phases néoformées. L'anorthite est apparue à 900 °C tandis que la chaux et la portlandite ont été détectées à 1000 °C et ont augmenté à des températures plus élevées. La portlandite (formule chimique idéale: Ca(OH)2) et chaux (CaO) semble provenir des produits de décomposition de la dolomite. 30 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Figure 15 : Diffractogramme des rayons X des briques traités thermiquement. (Q) Quartz (PDF # 79-1906) ; (N) Anorthite (PDF # 10-0360) ; (C) Chaux (PDF # 481467) ; (P) Portlandite (PDF # 84-1264). Figure 16: Courbes d’analyse thermogravimétrique (ATD-ATG) des matériaux étudiés. 31 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Les observations MEB (Fig.18.) ont montré que la microstructure des briques cuites subissait une fusion partielle conduisant à la consolidation du matériau vers les températures élevées. En se référant à nouveau à Fig.19. , les spectres IRTF des échantillons de briques traités thermiquement ont montré plusieurs bandes liées aux vibrations Si-O à, 1015, 778 et 698 cm1 . La bande marquée à 902 cm-1 est assignée à la phase vitreuse suggèrant qu'elle s'est formée à 1000 °C et est devenue abondante à 1100 °C. Ces résultats ont soutenu les examens SEM sur la formation de la masse fondue à une température de cuisson plus élevée. Figure 17: Micrographies MEB de la bentonite cuite à 1000 et 1100 °C. Figure 18: Spectres IRTF de matériaux frittés dans l'intervalle [900-1100 °C]. 32 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Le changement des propriétés physiques des briques produites par rapport à la température de cuisson est reporté sur la Fig.20. Selon la température, les propriétés physiques présentaient des tendances diverses. L'augmentation de la température a conduit à l'augmentation de la densité tandis qu’elle a réduit l'absorption d'eau. Ces deux comportements peuvent être expliqués par le phénomène de densification se produisant au cours du traitement thermique. En effet, lorsque la température augmente Les grains ont tendance à se rapprocher et la masse fondu s’accroit remplissant les différents pores présents dans la matrice céramique. En réduisant la porosité, les molécules d’eau ne trouvent plus d’espace vacant ou de vide pour s’insérer dans la brique cuite et par conséquent l’absorption se retrouve diminuer. Figure 19 : Évolution des propriétés physiques des briques calcinées en fonction de la température de cuisson. 33 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Il a été observé que la résistance à la flexion était influencée de manière significative par la température de cuisson. La résistance des briques a augmenté de façon prononcée avec l'augmentation de la température. En effet, la résistance mécanique des produits céramiques augmente généralement avec l'élévation de température. Cela pourrait s'expliquer par le compactage des grains sous l’effet de la température favorisant le processus de frittage. Des travaux antérieurs [6,35,36] ont rapporté que la consolidation des grains ainsi que le flux de matière fondue sont des facteurs importants dans le durcissement de la matrice. Figure 20 : Variation des propriétés mécaniques (résistance à la flexion) des briques frittées en fonction de la température employée. 34 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites CONCLUSION GENERALE En guise de conclusion, ce travail avait pour objectif global de valoriser les matériaux argileux (bentonite) de la région de Nador. L’approche suivie comporte deux étapes spécifiques : La première portait sur la caractérisation de de la bentonite brute sur le plan minéralogique et physico-chimique. La deuxième consistait à employer cette argile dans la fabrication des briques cuites et d’en tirer profit sur les propriétés physique et mécanique. La caractérisation des produits calcinés a été faites et permis de recueillir le maximum de renseignements éligibles à ce stade. La caractérisation minéralogique et morphologique de l’ensemble des échantillons a montré que : La bentonite était formée de minéraux argileux (montmorillonite) et de phase carbonatée (dolomite). L’aspect friable que présente cette argile suggère qu’elle constituera un bon matériau de base pour les briques cuites L’observation morphologique par microscope électronique à balayage (MEB) divulgue à la fois des structures semi-circulaires déformées dont la redondance est aléatoire. La calcination de la bentonite, dispatché sur trois température 900, 1000 et 1100°C, a abouti à la néoformation de nouvelles phases minérales (anorthite et oxyde de calcium). La température avait un effet positif sur les propriétés mécaniques grâce à l’abondance de la masse fondu et de la consolidation des particules. 35 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites PERSPECTIVES Comme perspective, nous proposons de : Essayer de passer à l’échelle pilote pour voir l’implémentation de cet essai à l’échelle industriel. Utiliser les moyens statistiques pour optimiser les conditions opératoires (Température de cuisson et temps de séjour dans le four). Comparer l’aptitude de la bentonite au traitement thermique aux autre argiles disponible dans le pays (Ex : Argile kaolino-illitique de la ville de Safi, Ghassoul de la ville de Fès et finalement les argiles gonflante de la ville de Marrakech). 36 Valorisation de la bentonite de Nador dans la fabrication de briques cuites Références bibliographiques [1] H. Celik, Technological characterization and industrial application of two Turkish clays for the ceramic industry, Appl. Clay Sci. 50 (2010) 245–254. doi:10.1016/j.clay.2010.08.005. [2] D. Njoya, M. Hajjaji, D. Njopwouo, Effects of some processing factors on technical properties of a clay-based ceramic material, Appl. Clay Sci. 65–66 (2012) 106–113. doi:10.1016/j.clay.2012.05.013. [3] B.K. Ngun, H. Mohamad, S.K. Sulaiman, K. Okada, Z.A. Ahmad, Some ceramic properties of clays from central Cambodia, Appl. Clay Sci. 53 (2011) 33–41. doi:10.1016/j.clay.2011.04.017. [4] E. Gliozzo, F. Iacoviello, L.M. 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