Memoire Online - Réticulation géopolymérique a basse température de quelques aluminosilicates

REPUBLIQUE DU CAMEROUN
Paix - Travail - Patrie
REPUBLIC OF CAMEROON
Peace - Work - Fatherland

LABORATOIRE DE PHYSICO-CHIMIE DES MATERIAUX MINERAUX
PHYSICO-CHEMISTRY OF MINERAL MATERIALS LABORATORY

MEMOIRE
Présenté et soutenu en vue de l'obtention du
Diplôme d'Etudes Approfondies (D.E.A) en Chimie Inorganique

CHAPITRE I : GENERALITES SUR QUELQUES SILICATES NATURELS ET LA GEOPOLYMERISATION 3

I-3-5 : l'influence de la nature des matières premières sur le processus de géopolymérisation 18

I -3-5-1: L'influence de la nature des ions alcalins dans le processus de géopolymérisation 19

II-2-4 : La granulométrie laser et la surface spécifique des poudres d'aluminosilicates 31

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fl mon IDO., Mr isemoueNiti Pascal,
Ma mO, mmo isemouelliti ncentscents mitieuebourie J.DOLIiSrl,
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pour moi.

Ce travail est le fruit d'une collaboration fructueuse entre les hommes. Je remercie le tout puissant, le très miséricordieux de sa grâce, sa protection sans lesquelles je n'aurais jamais pu réaliser ce travail. Nous remercions aussi tous ceux qui de près ou de loin y ont contribué. Il s'agit notamment de :

- Dr UPHIE CHINJE MELO, chargée de cours à l'Université de Yaoundé 1 et Directeur de la Mission de Promotion des Matériaux Locaux (MIPROMALO), pour le financement de ce travail par la MIPROMALO. Son dynamisme et sa rigueur ont été pour moi une source permanente d'encouragement. Ma profonde gratitude lui est également acquise pour avoir dirigé ce travail;

- Pr Daniel NJOPWOUO, Chef du Département de Chimie Inorganique et Chef du laboratoire de physico-chimie des matériaux minéraux, pour m'avoir accepté dans son laboratoire, pour ses conseils et ses encouragements;

- Dr Antoine ELIMBI pour ses conseils, sa disponibilité et ses encouragements ; - Dr DJOUFACK, pour ses conseils, et ses encouragements ;

- Tous les enseignants du Département de Chimie Inorganique, pour la formation qu'ils nous ont donnée.

- Mr KAMSEU, pour l'aide à la réalisation des analyses, la facilitation de l'accès à la documentation et ses multiples encouragements.

- Mr BILLONG, pour la facilitation de l'accès à la documentation et ses multiples encouragements.

- Mr BALO, pour la facilitation de l'accès à la documentation et ses encouragements. - Dr NJOYA André, pour ses conseils et la facilitation de l'accès à la documentation.

- Mr TCHAPTCHET, Mr NZEUKOU, Mr TENE, Mr TCHAMBA, Mr SUILABAYU, Mr KEMMEUGNI pour leur soutien moral ;

- Mes aînés de laboratoire, Dr FOTIO et Dr NJOYA DAÚROU, pour leur soutien moral; - Mes camarades de promotion, pour l'ambiance conviviale et fraternelle;

- Toute ma famille, mes frères et amis (GUEMETA Jean Bernard, TCHIFFO Stéphane, HAROUNA MASSAï, ABDOUL RAHMAN, AMOUD Jean- Jacques), pour leur soutien moral ;

Figure 5 : Polycondensation du quartz silanol Si-OH avec les poly(sialates) [21]. 14

Figure 6: Résistance à la compression en MPa d'un sol kaolinitique non traité et traité par L.T.G.S 14

Figure 7 : Energies et temps de production des céramiques traditionnelles et céramiques L.T.G.S [24].

Figure 8: Modèle conceptuel explicitant la structure des géopolymères [27]. 18

Figure 9: Processus de prise du ciment géopolymère potassium poly(sialate-siloxo)[23] 21

Figure 10 : Carte de localisation des zones de prélèvement des échantillons de la ville de Yaoundé 25

Figure 12: Diffractogramme de rayons X de l'argile Nkolbisson, calcinéé et non calcinéé 39

Figure 13: Diffractogramme de rayons X de la latérite d'Ekoumdoum, calcinée et non calcinée 40

Figure 14: Diffractogramme de rayons X de la pouzzolane de Djoungo, calcinée et non calcinée 41

Figure 21 : Efflorescences observées sur les matériaux AN à 10% de R, juste avant traitement 47

Figure 22 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de AN 48

Figure 23 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de AN 48

Figure 24: Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de LE 49

Figure 25 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de LE 50

Figure 26 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de PD 51

Figure 27 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de PD 51

Figure 28 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de PD 700°C 52

Figure 29 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de PD 700°C 52

Figure 30: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de AN 53

Figure 31: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de LE 54

Figure 32: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de PD 55

Figure 33: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de PD 700°C 56

Figure 34 : Microstructure des géopolymères obtenus à partir de AN à 10% R et traité à 450°C 57

Figure 35 : Microstructure des géopolymères obtenus à partir de LE à 10% R et traité à 450°C 57

Figure 36: Microstructure des géopolymères obtenus à partir de PD 700 °C à 10% R et traité 450°C 57

Figure 37: Schéma de la polycondensation hydrothermale de Na- poly(syalate)[3]. 59

Tableau 1 : Pourcentages comparatifs en poids et volume des éléments présents dans les 20 premiers

Tableau 3: Localisation géographique des sites de prélèvement des matériaux étudiés 25

Tableau 12 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de AN 70

Tableau 13 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de AN 70

Tableau 14 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de AN 71

Tableau 15 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de LE 71

Tableau 16 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de LE 71

Tableau 17 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de LE 71

Tableau 18 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de PD 72

Tableau 19 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de PD 72

Tableau 20 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de PD 72

Tableau 21 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de PD 700 °C 72

Tableau 22 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de PD 700°C 72

Tableau 23 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de PD 700 °C 73

ICP-AES: Inductive Coupled Plasma by Atomic Emission Spectrometry LE: Latérite d'Ekoumdoum

Le but de ce travail est de pouvoir explorer les possibilités de synthèse des matériaux de construction géopolymères à partir de certaines matières premières aluminosilicates disponibles au Cameroun. L'analyse chimique des trois types de matières premières aluminosilicates (argile de Nkolbisson (AN), latérite d'Ekoumdoum (LE) et pouzzolane de Djoungo (PD)) ayant fait l'objet de notre étude a montré que leurs rapports SiO2 /Al2O3 sont égales à 5,25 ; 2,54 ; et 5,52 respectivement. Les minéraux aluminosilicates sont respectivement la kaolinite dans AN et LE, l'anorthite et le plagioclase dans PD.

Afin d'évaluer l'influence de l'amorphisation sur le degré de réactivité de nos matières premières aluminosilicates, des échantillons de matériaux AN, LE, et PD a été calcinée à 700 °C pendant 6 heures. Les différentes formulations pour la synthèse des matériaux géopolymères ont été réalisées en faisant varier la teneur en réactif géopolymère de 0 à 10%, à intervalle de 2%, par rapport aux masses de poudres sèches pour les matériaux AN et LE. Pour le matériau PD, les teneurs en réactif géopolymère ont été respectivement 0, 2, 6 et 10%.

Les éprouvettes façonnées de chaque formulation ont ensuite été traitées thermiquement à 250°C, 350°C, et 450°C pendant 5 heures pour chaque température d'étude.

Les résultats obtenues montrent que les matériaux AN et LE calcinés ne se consolident pas dans nos conditions de travail (plage de température de traitement thermique et plage de concentration du réactif géopolymère). Les matériaux AN, LE, (non calcinés), et PD (calciné ou non), réagissent bien dans nos conditions de travail et pourraient être utilisés comme matériaux de construction. La détermination de leurs propriétés physiques montre les masses volumiques apparentes sont comprises entre 1,59 et 1,9 g/cm³ ; les pourcentages d'absorption d'eau sont compris entre 9 et 26,6% ; les résistances maximales à la compression sont comprises entre 9,55 et 29,7 MPa.

Les masses volumiques apparentes et les résistances à la compression croissent avec l'augmentation de la teneur en réactif géopolymère alors que le pourcentage d'absorption d'eau décroit. La résistance à la compression croît avec l'augmentation du rapport SiO2/Al2O3 de nos matières premières aluminosilicates.

La microstructure des matériaux fait état d'une phase homogène pour les géopolymères à base de AN et LE, et d'une phase hétérogène, plus microporeuse, pour les géopolymères à base de PD.

Mots clés : aluminosilicates, géopolymères, matériaux, traitement thermique, propriétés physiques.

The aim of this study is to explore possibilities of the synthesis of geopolymer construction materials from some aluminosilicate raw materials available in Cameroon. The chemical analyses of the three samples under study (clay from Nkolbisson (AN), laterite from Ekoumdoum (LE) and Pouzzolana from Djoungo (PD)) have revealed that the ratio of SiO2/Al2O3 are respectively 5.25, 2.54, and 5.52. The aluminosilicates compounds are respectively kaolinite in AN and LE, anorthite and plagioclase in PD.

Samples (AN, LE and PD) was calcinated at 700°C for 6 hours in order to study the influence of amorphisation on the raw materials' reactivity. The various formulations were realised by varying the geopolymer reagent between 0 to 10%, at 2% interval, with respect to the powders' dry masses for samples AN and LE. For sample PD, the proportions of the geopolymer reagent were 0, 2, 6 and 10%.

The moulded samples for each formulation were later on subjected to a thermal treatment at 250, 350 and 450°C for 5 hours.

The obtained results reveal that calcinated samples AN and LE do not consolidate in our working conditions (thermal treatment temperature range and geopolymer reagent concentration range). Samples AN, LE and PD (calcinated or not) react well in our working conditions and can be used for construction purposes. The investigation of their physical properties shows that values of bulk density vary between 1.59 and 1.90 g/cm³, those of water absorption between 9 and 26,6%, and the maximum values of compressive strength between 9,55 and 29,7 MPa. The bulk density and compressive strength increase with an increase in geopolymer reagent content meanwhile water absorption decreases. The compressive strength increases with an increase in the SiO2/Al2O3 ratio of the raw materials.

The microstructure of the geopolymers reveals a homogenous phase in AN and LE, and a heterogenous and more porous (micro) phase for PD.

Key words: aluminosilicates, geopolymers, materials, thermal treatment, physical properties.

INTRODUCTION

Depuis plus de cent cinquante ans, l'objectif de la science chimique était la compréhension et la réplication des différents matériaux caractérisant le règne animal et le règne végétal. Cette recherche biochimique a abouti à la création des matières plastiques, des fibres synthétiques, de la biochimie, et de la médecine moderne [1]. Cependant, ce n'est que depuis 1970 que les sciences chimiques, minéralogiques, géologiques sont parvenues à élaborer des matériaux pouvant répliquer le règne minéral. Il est actuellement possible de synthétiser en laboratoire pratiquement tous les types de matériaux minéralogiques, mais les résultats les plus spectaculaires sont obtenus avec les géopolymères de type aluminosilicate ou polysialate [1,2]. Introduit pour la première fois en 1978 par le professeur Joseph Davidovits [3], le terme géopolymère désigne les polymères inorganiques de structure

tridimensionnelle formés à basse température par polycondensation des aluminosilicates [2-5]. Dès lors, les propriétés chimiques et physiques intéressantes de ces matériaux suscitèrent l'intérêt de la communauté scientifique, et les activités de recherche y afférentes permirent de développer de nombreuses applications. A nos jours, les géopolymères sont utilisés dans l'ingénierie aéronautique, l'industrie nucléaire, la reproduction d'objets d'art, les matériaux de construction, l'isolation thermique des fours, etc. [2-4]. Les matériaux géopolymères utilisés dans la construction présentent d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques.

Au Cameroun, malgré la grande disponibilité des matières premières adéquates pour la synthèse des matériaux géopolymères, les avantages de cette technologie demeurent encore très peu exploités. Le secteur des matériaux de construction reste dominé par des matériaux importés dont les prix ne cessent de croître. Si nous prenons l'exemple du ciment, son prix s'est accru de près de 51% ces onze dernières années. Cette évolution vertigineuse des prix, entretenue par une pauvreté du tissu industriel d'entreprises produisant les matériaux de construction, rend difficile l'accès à l'habitat à une grande fraction de la population à revenus limités. Le développement des matériaux de construction géopolymères, dont les procédés de synthèse ont l'avantage d'être écologiques, avec une faible production des gaz à effet de serre par rapport aux matériaux de construction conventionnels localement produits, pourrait contribuer de façon significative à l'accroissement d'offre en matériaux de construction sur le marché camerounais. Ces matériaux, moins énergétivores que les briques cuites et les

ciments pouzzolaniques, pourraient se synthétiser par des procédés chimiques à partir des terres d'argiles latéritiques très disponibles sur l'étendue du territoire.

La maîtrise de ces procédés constitue à l'heure actuelle un des axes prioritaires de recherche dans plusieurs laboratoires dont celui de physico-chimie des matériaux minéraux de la Faculté des Sciences de l'Université de Yaoundé I et celui d'analyse des matériaux de la Mission de Promotion des Matériaux Locaux (MIPROMALO).

L'objectif de cette étude est de pouvoir étudier les paramètres de formulation des produits de construction géopolymères à base de matières premières aluminosilicates disponibles.

- le chapitre I présente les généralités sur quelques silicates naturels, la géopolymérisation, et les paramètres pouvant influencer les propriétés physiques et mécaniques des produits géopolymères;

- les caractéristiques sur les matériaux étudiés ainsi que les méthodes expérimentales utilisées constituent le chapitre II ;

- dans le troisième chapitre, nous présenterons les résultats obtenus et proposerons une interprétation.

Le sol est la fraction solide de la sphère terrestre. A la surface du sol, la terre est un matériau meuble, d'épaisseur variable, qui supporte les êtres vivants, leurs ouvrages, et ^oüpoussent les végétaux. Elle résulte de la transformation de la roche mère sous-jacente sous

l'influence de divers processus physiques, chimiques, biologiques, liés aux conditions bioclimatiques et à la vie animale et végétale [6]. Le matériau terre est constitué de plusieurs éléments :

La composition chimique moyenne ainsi que les pourcentages comparatifs en poids et en volume des éléments présents dans les 20 premiers km d'épaisseur de la croûte terrestre sont consignés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Pourcentages comparatifs en poids et volume des éléments présents dans les 20 premiers km de l'épaisseur terrestre [6].

Oxydes	% en poids	Eléments	% en poids	% en volume	Rayon
	des oxydes		des éléments	des éléments	ionique en ?
		O	46,7	92	1,3
SiO2	59,0	Si	27,7	0,8	0,4
Al2O3	15,5	Al	8,1	0,8	0,6
Fe2O3	7,0	Fe	5,1	0,7	0,7
CaO	5,0	Ca	3,6	1,6	1,0
Na2O	4,0	Na	2,7	1,5	1,0
K2O	3,0	K	2,6	2,1	1,3
MgO	3,5	Mg	2,1	0,6	0,8
TiO2	1,0	Ti	0,5	0,1	0,6

L'écorce terrestre, de composition chimique riche en silice et alumine, constitue par conséquent une source importante de matières premières aluminosilicates disponibles pour les réactions de géopolymérisation.

I-1-1 : Les minéraux argileux, les latérites et les pouzzolanes I-1-1-1 : Les minéraux argileux

Les minéraux argileux sont les silicates hydratés d'aluminium plus ou moins complexes, principalement sous forme de fines lamelles (phyllosilicates) [6,7]. Pour la construction de ces minéraux, la nature a fait appel à deux types de moellons : le tétraèdre, constitué d'un silicium entouré de quatre oxygènes (coordination 4), et l'octaèdre, ayant un atome d'aluminium (de magnésium ou de fer) entouré de six oxygènes (coordination 6) [6].

La distance inter-réticulaire (d) sépare 2 feuillets successifs. Les substitutions d'atomes sont fréquentes dans les feuillets et l'édifice cristallin peut être désorganisé. D'après la structure du feuillet, on distingue principalement les argiles 1/1 (1 couche tétraédrique et 1 couche octaédrique), les argiles 2/1 (2 couches tétraédriques et 1 couche octaédrique), et les argiles 2/1/1 (deux couches tétraédriques et deux couches octaédriques) [7,8]. Le sol camerounais regorge de nombreux gisements d'argiles non exploités. L'on note toutefois quelques utilisations des matériaux argileux camerounais dans la production des briques cuites et poteries. La figure 2 et le tableau 2 présentent respectivement la structure d'un minéral argileux de type 1/1 et la classification des minéraux argileux.

Tableau 2: Classification des minéraux argileux (le premier chiffre désignant le nombre de couches tétraédriques, le second et le troisième, celui des couches octaédriques (dioctaédrique ou trioctaédrique) [8].

Chlorite trioctaedrique Espèces différentes (Si,Al)4O10(M g,Fe
·
·
·)6(OH)8

I-1-1-2 : Les latérites

Les latérites sont des terres très altérées, qui contiennent des proportions importantes mais très variables d'oxydes de fer et d'aluminium, ainsi que du quartz et d'autres minéraux. On les trouve abondamment dans la ceinture tropicale et subtropicale, généralement juste en dessous de la surface des immenses plaines ou clairières, dans des régions à précipitation importante. Leur caractéristique d'ameublissement naturel varie du conglomérat compact à la terre friable. La couleur est très variable : ocre, rouge, brune, violette et noire. Le matériau est facile à découper, et il durcit très vite à l'air et devient assez résistant aux agents météorologiques [9]. Le sol Camerounais est très riche en cuirasses latéritiques. Ces latérites sont fréquemment utilisées dans les travaux routiers ou dans la production des matériaux de construction (adobes, brique de terre comprimée...).

I-1-1-3 : Les pouzzolanes

Les pouzzolanes sont des matériaux naturels ou artificiels riches en silice et en alumine, pouvant réagir avec la chaux en présence de l'eau pour former des produits manifestant des propriétés liantes [10,11]. Elles sont employées en cimenterie pour leurs propriétés pouzzolaniques (aptitude à fixer la chaux à la température ambiante et à former des composés ayant des propriétés hydrauliques) [10]. Les principales pouzzolanes sont les matériaux volcaniques (cendres, scories...), les cendres des centrales thermiques, les laitiers de hauts fourneaux, les cendres des balles de riz, la bagasse des cannes à sucre, et l'argile calcinée [11]. Il existe au Cameroun plusieurs gisements de pouzzolanes volcaniques, notamment autour du Mont Manengouba, du Mont Cameroun, dans les régions de Foumbot, Djoungo, Kumba, et les plateaux de l'Adamaoua [12]. Une partie de cette pouzzolane est parfois utilisée dans les travaux d'aménagements routiers, ou comme additif dans la production du ciment et les mortiers de béton.

I-2 : LA STABILISATION DES SOLS

Stabiliser la terre c'est modifier les propriétés d'un système terre-eau-air pour obtenir des propriétés permanentes compatibles avec une application particulière [9]. Cela implique des changements affectant directement les interactions terre, eau et air dans le sol et

permettant d'obtenir des propriétés permanentes qui rendent le sol apte à diverses sollicitations telles que la construction [13-17].

Il est possible de modifier deux principales caractéristiques d'un sol : la texture et la structure. Ces changements affectent les propriétés du sol telles que la porosité, la perméabilité et la résistance mécanique [9,13]. Les objectifs visés par ces modifications sont :

La stabilisation est un processus très complexe à cause de nombreux paramètres qui entrent en jeu. Une connaissance des propriétés du sol permet de mieux envisager les modifications, les études économiques (coût et délais), ainsi que les techniques de production et de construction à utiliser.

On dénombre trois procédés de stabilisation : mécanique, physique et chimique.

I-2-1 : La stabilisation mécanique

Elle consiste au compactage de la terre qui modifie sa résistance mécanique, sa compressibilité, sa perméabilité et sa porosité. Le sol est mécaniquement traité de sorte qu'un maximum d'air puisse être éliminé, ce qui contribue à une augmentation de sa densité. Dans la stabilisation mécanique, la distribution granulométrique des particules constitutives du matériau n'est pas affectée, mais sa structure est changée, car les particules sont redistribuées [9,13]. La stabilisation mécanique est très utilisée en construction routière et nécessite une analyse préalable du sol afin de déterminer la teneur optimal en eau pour une meilleure compressibilité du sol.

I-2-2 : La stabilisation physique

Elle consiste à modifier les propriétés d'une terre en intervenant sur sa texture : mélange contrôlé de la fraction de grains différents, traitement thermique (déshydratation ou gel), traitement électrique (électro-osmose qui favorise un drainage de la terre), etc. [9,13]. La stabilisation physique peut également consister à l'introduction des fibres végétales, animales, minérales ou synthétiques dans une terre. Ce procédé est utilisé lorsqu'il y a des raisons de ne pas agir sur la distribution granulométrique, ou si le matériau est sensible aux mouvements induits par des causes telles que l'action de l'eau, l'expansion thermique, etc. Ces mouvements peuvent alors être contrecarrés par une armature faite de fibres. L'armature agit au niveau macroscopique (sur l'agrégation des grains), et non au niveau des grains individuels [9].

I-2-3 : La stabilisation chimique

Elle consiste à ajouter à la terre d'autres matériaux ou produits chimiques qui modifient ses propriétés, soit du fait d'une réaction physico-chimique entre les particules et le matériau ou le produit ajouté, soit en créant une matrice qui lie ou enrobe les particules. La réaction physico-chimique peut entraîner la formation d'un nouveau matériau : composé pouzzolanique issu d'une réaction entre l'argile et la chaux par exemple [9]. Les ajouts les plus utilisés pour la stabilisation des sols sont le ciment, la chaux et le mélange ciment/chaux [14].

I-2-3-1 : La stabilisation à la chaux

Suite à l'introduction de la chaux dans une terre pour stabilisation, les ions Ca²⁺ sont en partie adsorbés à la surface des particules argileuses en remplacement des cations monovalents comme Na⁺ et K⁺ [14]. La quantité de Ca²⁺ adsorbée dépend de la capacité d'échange cationique du sol traité. Plus la capacité d'échange est élevée, plus le sol adsorbe de Ca²⁺. En fait, tous les cations adsorbés ne sont plus disponibles pour les réactions pouzzolaniques. La quantité de chaux nécessaire pour satisfaire l'affinité du sol pour la chaux est appelée "lime fixation point" (LFP). La chaux en excès du LFP est celle qui participe au processus de cimentation. Les réactions entre cette chaux, la silice et l'alumine libres, concourant à la formation de nouveaux minéraux comme des CSH (silicates de calcium

hydratés), des CAH (aluminates de calcium hydratés) et des CASH (alumino-silicates de calcium hydratés) sont principalement responsables de la consolidation. Ces réactions sont plus ou moins lentes, et sont fonction de divers facteurs comme la minéralogie, la granulométrie du sol traité, ainsi que le temps et la température de curage [14].

I-2-3-2 : La stabilisation au ciment

La principale réaction dans un mélange sol /ciment provient de l'hydratation des deux silicates anhydres de calcium, 3CaO. SiO2 (C3S) et 2CaO. Si02 (C2S), constituants majeurs du ciment, qui forment deux nouveaux composés : l'hydroxyde de calcium (chaux hydratée appelée Portlandite) et le silicate de calcium hydraté (CSH) principal agent liant du béton [14, 18].

Contrairement à la chaux, la minéralogie et la granulométrie des sols traités au ciment influencent peu les réactions puisque la poudre de ciment contient en elle-même tout ce dont elle a besoin pour réagir et former des produits cimentaires. Le ciment va créer des liens physiques entre les particules augmentant ainsi la résistance des sols comparativement à la chaux qui a besoin de silice et d'alumine provenant des particules argileuses pour développer les réactions pouzzolaniques [14, 15].

Généralement, les réactions d'hydratation des ciments sont plus rapides que celles de la chaux, mais dans les deux cas, la résistance finale résulte de la formation de silicates de calcium hydratés (CSH) [15].

I-3 : LA GEOPOLYMERISATION

Avant de parler des géopolymères, il est nécessaire de présenter brièvement les zéolites, étant donné que ces derniers sont synthétisés par un procédé analogue à celui de la géopolymérisation. Certains auteurs [19] ont suggéré que les gels de géopolymère soient les précurseurs amorphes de cristaux de zéolite. Bien que les géopolymères soient des gels d'aluminosilicate par définition, la structure macromoléculaire des géopolymères ressemble au réseau cristallin de divers zéolites [19].

I-3-1 : Les Zéolites

Les zéolites sont des aluminosilicates de structure tridimensionnelle formés de polymères inorganiques constitués de (Si, Al)O4 tétra coordonnés par le partage de tous leurs atomes d'oxygène dans le réseau. La stoechiométrie des zéolites peut être représentée par la formule générale [20]:

n + 1 n [(AlO2)(SiO2)_x]^- z H2O, où x représente le rapport molaire Si/Al, z le nombre de molécules d'eau liées

physiquement. Les cations tels que H⁺, Na⁺, K⁺, Cu⁺ et Fe(OH)⁺, (ici de valence n=1) sont nécessaires pour la compensation des charges. Les zéolites existent à l'état naturel, mais peuvent aussi être synthétisés par voie hydrothermale à partir des solutions alcalines de silicate de sodium, hydroxyde d'aluminium.

La synthèse des zéolites de type A par exemple est obtenue par traitement hydrothermal de la kaolinite en solution alcaline à 100°C suivant la réaction [20] :

Cette méthodologie de synthèse peut également être utilisé dans la synthèse des géopolymères, cependant, pour la géopolymerisation le rapport liquide/ phase solide est plus petit [20]. L'unité structurale des zéolites A est identique à celle du Na-poly(sialate). Mais, le zéolite A provient de la polycondensation d'un cyclo-tétrasialate alors que le Na-poly(sialate) provient de la polycondensation d'un cyclo-disialate [3].

I-3-2 : Les terminologies et l'historique des géopolymères

Les géopolymères, selon J. Davidovits [21] ont été développés dans la recherche des polymères inorganiques résistants à la chaleur et non combustibles, après de nombreux incendies favorisés par l'inflammabilité des matériaux plastiques en France entre 1970 et 1973.

La famille des géopolymères synthétisés à partir d'aluminosilicates est appelée poly(sialate). Elle est constituée d'un réseau amorphe de SiO4 et AlO4, où le silicium et l'aluminium ont une coordinance IV, avec le partage de tous leurs oxygènes [22 ,23]. Sialate est l'abréviation de silico-oxo-aluminate (-Si-O-Al-O-). La présence de cations tels que Na⁺, K⁺, Li⁺, Ca²⁺... dans le réseau est nécessaire pour l'équilibration des charges négatives de Al³⁺ en coordination IV avec les oxygènes [21]. La formule empirique des poly(sialates) est la suivante [22 ,23] :

où z=1, 2, ou 3. M est un cation monovalent tel que K⁺ ou Na⁺, n le degré de polycondensation et w le nombre de molécules d'eau liées physiquement.

Les géopolymères comprennent trois classes de polymères inorganiques, selon le ratio (R) SiO2/Al2O3 dans l'unité monomère [22 ,23] :

- poly(sialate-siloxo), PSS, dont l'unité monomère est (-Si-O-Al-O-Si-O-), avec R=4 ;

- poly(sialate-disiloxo), PSDS, dont l'unité monomère est (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-), avec R=6.

Les structures des différents types de poly(sialates) selon Davidovits [21] sont présentées sur la figure 4.

Les poly(sialates) et poly(sialates-siloxo) cristallisés peuvent s'obtenir dans les conditions hydrothermales de curage, alors que le curage à température ambiante induit des matrices amorphes ou vitreuses [21]. En utilisant la kaolinite comme précurseur géopolymérique, la polycondensation hydrothermale à 150°C aboutirait à une sodalite bien cristallisée [3].

I-3-3 : La réticulation géopolymérique à basse température (L.T.G.S)

La réticulation géopolymérique à basse température encore appelé « Low Temperature Geopolymeric Setting » (L.T.G.S), est un procédé de géopolymérisation qui utilise généralement des faibles teneurs en catalyseurs alcalins (0,5 à 6% du poids des matières premières aluminosilicates). La L.T.G.S permet de transformer tout matériau aluminosilicate en un ensemble de produits minéraux qui possèdent les caractéristiques des roches (insensibilité à l'eau, tenue en température, dureté, etc.) [24]. Ce procédé de géopolymérisation assure la cohésion de la matière terre selon un principe totalement différent de la stabilisation aux liants hydrauliques. Il n'y a pas d'ajout de liant mais de catalyseurs permettant aux constituants minéralogiques de réagir entre eux. C'est l'aluminosilicate luimême qui fabrique, in situ, le liant d'agglomération. Il s'agit d'un processus comparable à celui qui a lieu pendant la cuisson céramique à 900°C-1100°C, à la différence que, dans le cas de la L.T.G.S, la réticulation peut commencer déjà à température ambiante [24].

Lors de la fabrication des produits par L.T.G.S, Davidovits [21] a utilisé des fins cristaux de quartz pour produire des blocs composites Na-PS-quartz. Dans ces composites, les grains de quartz entourés de micelles de kaolinite ont une séquence -(Na-PS)-(SiO2)n-(NaPS)-(SiO2)n, qu'il a appelé SILIFACE Q. La structure géopolymère résulte ici de la polycondensation des sialates ou des poly(sialates) des micelles de kaolinite avec les liaisons du siloxane (Si-O-Si) hydrolysées à la surface du quartz en silanol (Si-OH). La réaction est la suivante (figure 5) [21]:

Figure 5 : Polycondensation du quartz silanol Si-OH avec les poly(sialates) [21].

Les températures de travail dans les procédés L.T.G.S varient généralement entre 50 et 500°C. La masse volumique des céramiques obtenues est voisine de 1.9 g/cm³. Leur porosité apparente se situe autour de 30% et les résistances mécaniques à la compression peuvent atteindre 40 MPa [20]. La figure 6 présente l'évolution de la résistance à la compression en fonction de la température de traitement pour un sol kaolinitique traité par le procédé L.T.G.S.

Figure 6: Résistance à la compression en MPa d'un sol kaolinitique non traité et traité par L.T.G.S (3 % d'équivalent Na2O), température de traitement 20°C- 1000°C [3]

I-3-3-1 : La L.T.G.S et les matériaux de construction

La L.T.G.S est une innovation dans l'utilisation du matériau terre. Dans chaque pays, en changeant seulement certains paramètres, il est possible de fabriquer pratiquement tous les matériaux utilisés dans le bâtiment (pisé résistant à l'eau, adobes, briques, linteaux, fondations, revêtements de sol, pavements, toitures, enduits, revêtements de mur, et même des liants hydrauliques) [1] .

Lorsqu'ils sont élaborés convenablement, les matériaux obtenus par L.T.G.S gardent la qualité de confort propre aux matériaux terres [1]. Cette qualité de confort demeure et n'est pas perturbée par les traitements à température moyenne (85°C- 450°C) [1, 24].

Au Cameroun, très peu d'études ont été effectuées sur l'utilisation des techniques L.T.G.S pour la production des matériaux de construction. Ndofor [25] a pu obtenir des résistances mécaniques à la compression de l'ordre de 25 MPa pour une teneur en NaOH de 12% par rapport à la terre argileuse. Par la suite, il conclut qu'une optimisation des proportions en silice, eau et NaOH dans le mélange pour géopolymérisation, conduirait aux produits de qualité optimale.

I-3-3-2 : Le temps et l'énergie dans les procédés L.T.G.S

Davidovit [24], lors de la production de divers produits (tuiles, briques objets d'arts...) par L.T.G.S, a utilisé différents procédés de préparation, de mise en forme, et de traitements thermiques des pâtes. Il a démontré que le procédé L.T.G.S permettait d'obtenir des produits synthétiques aux propriétés semblables à celles des produits céramiques traditionnelles, mais, avec des gains de temps et d'énergies.

La figure 7 présente en a) la consommation d'énergie pour la fabrication des tuiles selon les procédés traditionnels de cuisson des produits céramiques (classique et rapide), par procédé L.T.G.S (Géop-A), L.T.G.S optimisé (Géop-B), et en b), les temps de production des céramiques traditionnelles et des céramiques obtenues par L.T.G.S.

Figure 7 : Energies et temps de production des céramiques traditionnelles et céramiques L.T.G.S [24].

Selon Davidovits [24], l'exploitation des techniques L.T.G.S pour la production de « céramiques géopolymères » offrirait des perspectives économiques intéressantes pour l'industrie céramique, grâce aux gains d'énergie et de temps qui pourraient conduire à une multiplication de la productivité par un facteur de 2 à 5.

I -3-4 : Les réactions de polycondensation

La géopolymérisation est une réaction exothermique qui consiste à la polycondensation des monomères pour former une macromolécule de structure tridimensionnelle. Les réactions chimiques suivent le schéma réactionnel suivant (équations I.3 et I.4) [26, 27] :

n (Si2O5, Al2O2) + 2n SiO2 + 4n H2O + NaOH ou (KOH) Na+, K⁺ + n (OH)3-Si-O-Al^--O-Si-(OH)3 (I.3)

n (OH)3-Si-O-Al^--O- Si-(OH)3 + NaOH ou (KOH) (Na⁺, K⁺)-(-Si-O-Al^--O-Si-O-) + 4n H2O

Xu et van Deventer [26] ont proposé une théorie de paires d'ions pour expliciter le mécanisme de dissolution des minéraux aluminosilicates ainsi que le mécanisme de géopolymérisation. Le processus chimique possible de dissolution des minéraux aluminosilicates et des silicates en milieu alcalin est présenté dans les trois équations suivantes (I.5 - I.7) [26].

Les réactions entre le métal alcalin M⁺ et les acides ortho siliciques trivalents et divalents en vue de compenser les charges électrostatiques de répulsion sont présentées par les équations suivantes (I.8 - I.11) [26]:

Les réactions de condensation cations - anions sont présentées dans les équations suivantes (I.12 - I.15) [26, 27]:

^-OSi (OH)2O^- + M^{+ -}OSi (OH)3+ _M+ M+^-OSi (OH)2-O-Si (OH)2-O^- + MOH (I.13)

2 silicates monomères^- + 2 silicates dimères^- + 2M⁺ M⁺+ trimère cyclique^- + M⁺ trimère linéaire^- + 2OH^- (I.15)

Barbosa dans [28] a proposé un modèle explicitant la structure des géopolymères. Les atomes de silicium et d'aluminium sont arbitrairement distribués dans une structure tridimensionnelle en laissant des cavités où les cations compensateurs Na⁺ peuvent se loger (figure 8).

Figure 8: Modèle conceptuel explicitant la structure des géopolymères [27].

I-3-5 : l'influence de la nature des matières premières sur le processus de géopolymérisation

Les compositions chimiques, minéralogiques des matières premières, leur distribution granulométriques, et les concentrations des éléments activateurs ont une grande influence sur les propriétés des géopolymères [2]. La kaolinite et d'autres argiles furent initialement utilisées en 1974 et 1975 comme source d'aluminosilicates pour la fabrication des géopolymères devant servir à l'encapsulation des déchets radioactifs [2]. La kaolinite a une structure appropriée à tout type de procédé de géopolymérisation. Toutefois, lors des synthèses, une bonne partie de ce minéral ne participe pas aux réactions de géopolymérisation [29]. Les matériaux calcinés réagissent généralement mieux que les matériaux non calcinés, et les impuretés présentent dans les matières premières peuvent subir des réactions secondaires affectant aussi bien la cinétique des réactions que les propriétés mécaniques des produits obtenus [2]. Les géopolymères issus du métakaolin nécessitent plus d'eau due à une augmentation de la porosité et deviennent alors peu résistant pour être utilisés comme matériau de construction [2]. Toutefois, le métakaolin est bénéfique comme additif minéral dans les ciments géopolymères, car il améliore les résistances mécaniques et réduit le

transport des sels et de l'eau. Il est également utilisé dans la fabrication des géopolymères pour application comme adhésifs [2].

Xu et van Deventer [26] ont effectué en 2000 des recherches étendues sur l'utilisation de 16 minéraux aluminosilicates différents, avec addition de la kaolinite pour la fabrication des géopolymères. Ils observèrent que pour la plupart des minéraux aluminosilicates, l'addition de la kaolinite était nécessaire pour la formation des gels, et lorsque la kaolinite était utilisée seul, les propriétés mécaniques étaient médiocres. Ce résultat signifie qu'une synergie entre les différents minéraux aluminosilicates pourrait avoir des effets bénéfiques lors des réactions de gépolymérisation.

I -3-5-1: L'influence de la nature des ions alcalins dans le processus de géopolymérisation

Théoriquement, n'importe quelle alcalin ou alcalinoterreux pourrait être utilisé pour les réactions de géopolymérisation. Toutefois, la plupart des études ont été centrées sur les effets des ions sodium et potassium. Le choix du type d'ion alcalin à utiliser pour les synthèses géopolymériques dépend de plusieurs facteurs dont les plus importants sont l'origine, les sources de matières premières aluminosilicates, et les applications des futurs géopolymères [2]. La présence de cations dans les matières premières de base ou ajoutés comme hydroxydes alcalins est considérée comme importante à cause de leur rôle catalytique. Les propriétés optimales des géopolymères sont obtenues quand la concentration de sodium est suffisante pour l'équilibration des charges lors de la substitution du silicium par l'aluminium dans les tétraèdres, mais pas en excès pour former le carbonate de sodium en présence du CO2 atmosphérique [2]. La grande taille de K⁺ favorise la formation des oligomères silicates avec qui Al(OH)4 - préfère se lier. Par conséquent, lorsque la solution de KOH est utilisée, il se forme plus de précurseur géopolymérique, facilitant une meilleure polymérisation et des meilleures résistances en compression que les géopolymères synthétisés dans les solutions de NaOH [2, 31].

Les ions potassium semblent être responsables d'un meilleur degré de condensation par rapport aux ions sodium dans les mêmes conditions. Puisque K⁺ est plus basique, il permet des grandes vitesses de dissolution des silicates. En plus, le fait que K⁺ ait une sphère d'hydratation plus petite que Na⁺ permet des réactions de polycondensation plus denses et plus intimes. L'addition de KOH tendrait à améliorer le degré de polycondensation dans la solution de silicate d'ion alcalin alors que l'addition de NaOH augmenterait la quantité de silicates monomères [2, 31].

I-3-5-2 : l'influence des ions calciums

La présence des ions calcium dans les matières premières améliorerait les propriétés mécaniques des géopolymères en formant un gel amorphe structuré Ca-Al-Si. Lorsque les teneurs en CaO sont élevées, la porosité microstructurale diminue avec comme résultante la formation des gels [2].

L'addition des grandes quantités d'hydroxyde de calcium dans la fabrication des géopolomères à base de cendre volcanique améliore rapidement les résistances mécaniques, alors que l'addition des petites quantités le fait plus tardivement. Que ce soit pour les géopolymères à base de cendre volcanique ou de métakaolin, une substitution de 10% d'aluminosilicate par l'hydroxyde de calcium semble avoir des effets bénéfiques. Lorsque les matières premières solides sont déficientes en calcium, le carbonate de calcium pourrait être introduit sous forme de suspension aqueuse pour améliorer les propriétés mécaniques des géopolymères [2, 32].

I-3-5-3 : Les facteurs influençant la résistance à la compression

La résistance à la compression a été utilisée par plusieurs chercheurs comme outils pour l'affirmation du « succès » de la géopolymérisation [2]. La résistance à la compression dépend de nombreux facteurs dont la solidité de la phase gel, le rapport de la phase gel à la phase non dissoute de particule Al-Si, la distribution et la dureté des particules Al-Si non dissoutes. Elle dépend également de la nature de la phase amorphe du géopolymère, du degré de cristallinité, et de la surface de réaction entre la phase gel et les particules Al-Si non dissoutes [2, 32]. Toutefois les facteurs tels que le pourcentage de CaO, K2O, et le type d'alcalin ont une forte corrélation avec la résistance à la compression [2]. Après géopolymérisation, les particules non dissoutes restent liées dans la matrice, ce qui signifie que la dureté des minéraux a une corrélation positive avec la résistance à la compression. Pendant la géopolymérisation des minéraux naturels, il est connu que lorsque des agrégats tels que la poudre de sable sont ajoutés au mélange géopolymère, la résistance à la compression s'accroît [2, 26]. L'activation alcaline du metakaolin utilisant une solution contenant le silicate de sodium et l'hydroxyde de sodium donne des propriétés mécaniques meilleures à celui activé avec uniquement l'hydroxyde de sodium [2]. Les meilleures résistances sont obtenues lorsque les rapports molaires SiO2/Al2O3 et Na2O/Al2O3 sont 3.0-3.8 et environ 1 respectivement [33]. Toutefois, ces ratios pourraient changer selon le type de matière première utilisée comme source de _Al2O3 et SiO2 [32].

I-4 : LES CIMENTS GEOPOLYMERES

Les ciments geopolymères sont des composés synthétiques de structure analogue aux tecto-alumino-silicates. La chimie de leur géopolymérisation met en jeu des oxydes aluminosilicates (Al³⁺ en coordination IV) avec des disilicates alcalins ou calciques. L'équation de réaction est la suivante [34]:

2(Si2O5,Al2O2) + K2_(H3SiO4)2 + Ca(H3SiO4)2 (K2O,CaO) (8SiO2,2Al2O3, nH2O) (I.16)

Contrairement aux Ciments Portland, les ciments géopolymères sont des matériaux résistants aux acides, avec des propriétés zéolitiques qui leur permettent d'encapsuler les déchets toxiques tels que les métaux lourds. La consolidation de ce ciment s'effectue à travers un processus de polycondensation du potassium-oligo-(sialate-siloxo) en potassium poly(syalate-siloxo) (figure 9 ).

Figure 9: Processus de prise du ciment géopolymère potassium poly(sialate-siloxo)[23]

Le ciment géopolymère fabriqué par PZ- Geopoly [35] comprend les éléments majeurs suivants:

- les aluminosilicates spécifiques des espèces argileuses kaolinitiques calcinées à 750°C ;

- le disilicate de calcium (Ca(H3SiO4)2), fabriqué par réaction alcaline avec les laitiers de hauts fourneaux ;

Ces ciments sont caractérisés par une prise rapide à température ambiante et donnent des résistances à la compression de l'ordre de 20 MPa après 4 h. La résistance finale après 28 jours est de l'ordre de 70 à 100 MPa [34, 35].

II-1 : LES MATERIAUX

II-1-1 : Les Matériaux Naturels

Notre étude a porté sur l'argile de Nkolbisson (AN), la latérite d'Ekoumdoum (LE), et la pouzzolane noire de Djoungo (PD). Ces matériaux ont été choisis à cause de leurs teneurs en silice et alumine suffisantes pour leur utilisation comme source d'aluminosilicates aux réactions de géopolymérisation.

II-1-1-1 : L'argile sableuse de Nkolbisson

Le gisement est situé dans le flanc de la rivière Amga, à environ 2 km de l'usine SNEC de Nkolbisson à Yaoundé. Les populations de la région affirment que dans le passé, cette argile était utilisée pour la production des objets de poterie. Selon les travaux de Amougou, les épaisseurs mises en évidence varient entre 1,10 à 2,70 m [36]. Cette argile est très sableuse, de couleur variable et à granules ferrugineuses.

II-1-1-2 : La latérite d'Ekoumdoum

Le gisement est situé sur la route d'Awae, au niveau du carrefour dit « 3 lions », dans la ville de Yaoundé. Les latérites de ce gisement présentent une texture gravelo argileuse et sont actuellement en cours d'exploitation par des artisans, pour la production des briques de terre comprimée.

II-1-1-3 : La pouzzolane de Djoungo

Le gisement de pouzzolane de Djoungo est situé dans la province du littorale, et constitue actuellement au Cameroun le gisement le plus sollicité par la cimenterie locale. Les principales raisons en sont l'importance quantitative du gisement, ainsi que sa situation privilégiée à proximité de la voie ferrée joignant la plus grande ville industrielle du Cameroun [37].

Les coordonnées géographiques et la localisation des sites des matériaux utilisés sont présentées dans le tableau 3 et la figure 10.

Tableau 3: Localisation géographique des sites de prélèvement des matériaux étudiés

Figure 10 : Carte de localisation des zones de prélèvement des échantillons de la ville de Yaoundé [38]

II-1-2 : Les matériaux synthétiques

Le réactif géopolymère utilisé est constitué d'un mélange de 50% en masse d'hydroxyde de sodium en pastille et de 50% en masse de silicate de sodium liquide.

Le silicate de sodium provient de la société ACO SIL S.r.l de Montorio (Italie). Ses caractéristiques physicochimiques sont consignées dans le tableau 4.

Tableau 4: Caractéristiques physicochimiques du silicate de sodium utilisé

L'hydroxyde de sodium provient de la société PROLABO de Paris (France). Sa composition chimique est la suivante:

II-2 : LES METHODES DE CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES II-2-1 : La caractérisation physique des matériaux argileux

Les matériaux AN et LE ont fait l'objet d'une caractérisation préliminaire : l'analyse granulométrique (tamisage humide et sédimentométrie), et la détermination des limites d'Atterberg. Ces essais ont été effectués dans le laboratoire d'analyse des matériaux de la MIPROMALO.

II-2-1-1 : L'analyse granulométrique par tamisage humide

Elle consiste à séparer les différentes fractions et à les évaluer en pourcentage pondéraux de l'ensemble de l'échantillon [39]. Chaque matériau est d'abord séché à l'air atmosphérique, puis étuvé à 105°C pendant 24 h. Par la suite, 500 g de matériau sont pesés, trempés dans l'eau pendant 24h, puis passés à travers une colonne de tamis : 2 et 0,8 mm, puis 500, 400, 200, et 100 um. Après plusieurs lavages, les tamis contenant les résidus sont séchés à l'étuve pendant 24 h à 105°C. Les différentes fractions sont calculées par pesée. Pour finir, la proportion de particules inférieures à 100 um est retenue pour effectuer l'analyse granulométrique par sédimentométrie.

II-2-1-2 : L'analyse granulométrique par sédimentométrie

Cette analyse permet de déterminer le pourcentage de particules argileuses dans un matériau. Dans l'étude des sols, on désigne par argile la fraction de matériau comprenant des éléments de diamètres inférieurs à 2 um, et séparés au cours de l'analyse mécanique [40].

Le principe de la sédimentométrie est basé sur la loi de Stockes qui mesure la vitesse (v) de décantation des particules sphériques dans un milieu visqueux sous l'influence de la force de gravitation et de la résistance du milieu [41, 42]. Cette vitesse est donnée par la relation :

ñL est la masse volumique du milieu visqueux (g/cm³), n est la viscosité (poise), et

Si pendant un temps t (seconde) les particules ont sédimenté d'une hauteur Ht (cm), la vitesse de ce mouvement est égale à Ht/t.

La loi de Stockes étant établie pour les grains sphériques, le résultat de la mesure ne peut correspondre qu'aux diamètres équivalents. En prenant le temps en minutes, dy en micromètre et ñ_s en g/cm³, nous avons :

g ( 1 )

ñ dy 2 H -

t =

d'où dy=

3 . 1 0 ⁷nHt

60 t 18 10

nx 8

g ( 1 )

ñ -

s t

La masse volumique du matériau n'étant pas connue, nous avons pris ñ_s = 2,65 g/cm³ qui est celle du quartz [41, 42].

où H0 est la distance du centre de gravité du volume du bulbe du densimètre à la division 1000,

C_m est la hauteur du ménisque en fraction de division, mesurée sur l'éprouvette due à l'introduction du densimètre.

A l'instant t (min) et à la profondeur Ht (cm), on ne trouve que des particules de dimensions inférieures ou égales à dy. Le pourcentage de ces particules s'obtient suivant la formule :

La lecture dans A ou B est effectuée après 0.5, 2, 5, 10, 30 minutes et 1, 2, 3, 5, 24 heures.

II-2-1-3 : La plasticitéa) La limite de liquidité

La limite de liquidité est la teneur en eau qui correspond à la fermeture de la rainure sur un centimètre de longueur après environ vingt cinq chocs (appareil de Casagrande). Le matériau argileux est au préalable lavé au tamis de maille de 400um puis conservé pendant 24 heures dans l'eau. Après décantation, il est répandu sur une plaque de plâtre pour séchage et homogénéisation avant d'être placé dans l'appareil de Casagrande où une rainure est creusée dans la coupelle comportant l'échantillon. La manivelle est tournée à une vitesse de 2 chocs par seconde jusqu'à ce que la rainure se ferme sur un centimètre.

Des essais successifs sont effectués en laissant évaporer l'eau progressivement. Le procédé est tel que le nombre de chocs soit compris entre 15 et 35 pendant cinq essais. La limite de liquidité est donnée par la formule :

La pâte argileuse du dernier essai de la limite de liquidité est utilisée pour déterminer la limite de plasticité : après un léger séchage, on forme une boule de 12 mm de diamètre environ que l'on utilise pour faire un cylindre de 10 à 15 cm environ avec 3 mm de diamètre en roulant sur une surface plane, sèche, propre et non absorbante. La limite de plasticité est la teneur en eau du cylindre qui se brise lorsqu'on le soulève de 1 à 2 cm. Elle est donnée par la formule :

Elle est obtenue en faisant la différence entre la limite de liquidité et celle de plasticité. L'indice de plasticité indique l'intervalle dans lequel le matériau argileux est façonnable. Sa formule est donnée par l'équation :

II-2-2 : La composition chimique des matériaux naturels

Les analyses chimiques des matériaux AN, LE, et PD ont été effectués. Ces analyses permettent de déterminer les pourcentages pondéraux des éléments constitutifs du matériau sous forme de leurs oxydes stables. Elles ont été réalisées au laboratoire d'analyse et de caractérisation des matériaux de DEMO-CENTER à Modéna (Italie), par fusion de l'échantillon au métaborate de lithium (LiBO2), suivie de sa dissolution à l'acide nitrique (HNO3). Les éléments mis en solution sont dosés par ICP-AES (Inductive coupled plasma by Atomic emission spectrometry).

II-2-3 : L'analyse minéralogique des matériaux

Ces analyses ont été effectuées au laboratoire d'analyse des matériaux de DEMO-CENTER à Modéna (Italie). La composition des phases est déterminée par diffraction des rayons X avec une anticathode de cuivre.

II-2-4 : La granulométrie laser et la surface spécifique des poudres d'aluminosilicates

La granulométrie laser permet de mesurer les rayons de particules ou de grains (farines, poudres, sables,...) entre 0,05 et 900 um. Cette technique est basée sur la diffraction de la lumière d'un laser. La poudre est convoyée par de l'eau ou par de l'air et passe dans un faisceau laser. Lorsque le faisceau laser éclaire une particule, on peut observer des franges de diffraction. L'intensité du rayonnement diffracté et l'angle de diffraction dépendent de la taille des particules (plus la particule est petite, plus l'angle de diffraction est grand). Cet essai a été réalisé dans le laboratoire de DEMO-CENTER à Modéna (Italie).

La mesure de la surface spécifique permet la détermination de l'aire de la totalité de la surface des particules de poudre, y compris la surface des pores ouverts ou criques en cul-de-sac, accessible aux molécules de gaz extérieures. La détermination de la surface spécifique est basée sur la mesure de la quantité de gaz adsorbé par un échantillon de poudre. Elle a été réalisée par méthode BET au laboratoire de DEMO-CENTER à Modéna (Italie).

II-3-1 : La préparation des matières premières

La préparation des matières premières s'est effectuée dans le laboratoire d'analyse des matériaux de la MIPROMALO. Les matériaux (LE, AN et PD) devant servir à la synthèse des produits géopolymères sont prélevés, séchés, broyés dans un broyeur à boulet jusqu'à passage intégrale au tamis d'ouverture de mailles 400 um. Par la suite, la moitié des poudres issues du broyage de chaque type de matériau est traité thermiquement (vitesse de chauffe de 5°/min jusqu'à 700°C, suivi d'un palier de six heures). Leur surface spécifique et leur granulométrie (par méthode laser) est ensuite déterminée afin d'avoir une idée sur la finesse de leurs particules après broyage. Les six types de poudre de matériau obtenus (dont trois traités thermiquement et trois non traités thermiquement), près pour synthèse géopolymérique, sont ensuite conservés dans des sachets en plastique afin d'éviter la fixation d'eau atmosphérique.

II-3-2 : L'élaboration des formulations et le façonnage des éprouvettes

Les différentes formulations pour la synthèse des matériaux géopolymères ont été réalisées en faisant varier la teneur en réactif géopolymère (mélange constitué en masse de 50% de NaOH et 50% de silicate de sodium liquide) de 0 à 10%, à intervalle de 2%, par rapport aux masses de poudres sèches pour les matériaux AN et LE. Pour les matériaux PD, les teneurs en réactif géopolymère ont été respectivement 0, 2, 6 et 10%. Les différents mélanges sont ensuite humidifiés avec de l'eau distillée jusqu'a la limite de plasticité, et la mise en forme est réalisée dans des moules cylindriques en PVC (2,1 cm de diamètre et 4,2 cm de hauteur). Les teneurs en réactif géopolymères et en eau de façonnage sont calculées par rapport à 100 parts de poudres sèches.

II-3-3 : Le traitement thermique des différentes formulations

Les éprouvettes de chaque formulation façonnées sont laissés sécher à l'air atmosphérique du laboratoire (à 25°C), puis traité thermiquement dans un four programmable (type MNI 51 A de marque Multimat) aux trois températures de curage : 250°C, 350°C, et 450°C. La vitesse de montée en température est de 5°C/min et le palier est de 5 heures pour chaque température d'étude. Cet essai à été réalisé dans le laboratoire d'analyse des matériaux de la MIPROMALO.

Afin d'évaluer les performances des produits obtenus, les propriétés physiques suivantes ont été déterminées : le pourcentage d'eau absorbée, la masse volumique apparente la résistance à la compression, et la microstructure.

La détermination de ces paramètres a été faite suivant la norme ASTM C 20 - 74 [44]. Ces essais ont été réalisés dans le laboratoire de physicochimie des matériaux minéraux de l'Université de Yaoundé I. Les éprouvettes de matériaux obtenues après traitement thermique sont conservées dans des sachets en plastique afin d'éviter la fixation d'air

atmosphérique. Par la suite, leur masse Md est déterminée et elles sont introduites dans un bécher contenant l'eau distillée. Le mélange est porté à ébullition pendant 2 heures en s'assurant que les éprouvettes restent immergées. Après avoir laisser le mélange refroidir pendant 24 heures, leur masse humide Mw et leur masse suspendue dans l'eau Ms sont déterminées.

i) Le pourcentage d'absorption d'eau ab (%) est le rapport de l'augmentation de masse

de l'échantillon entraînée par une imbibition en eau à la masse sèche de l'échantillon [44]. Il est donné par la relation :

ii) La masse volumique apparente ñ (g/cm³) est définie comme étant le quotient de la

masse sèche de l'échantillon par le volume occupé par la matière solide, y compris les vides contenus dans les grains (volume apparent). Elle est donnée par la relation :

II-4-2 : La résistance à la compression

Elle est obtenue par calcul après mesure de la charge en compression qu'un matériau peut supporter avant sa rupture. Cet essai, conforme au protocole D 695 des Normes ASTM, à été réalisé dans le laboratoire de physicochimie des matériaux minéraux de l'université de Yaoundé 1. Les éprouvettes de matériau sont placées entre les deux surfaces planes de l'appareil de compression, et sont comprimées avec une vitesse uniforme. La lecture de la charge maximale supportée par le matériau avant sa rupture permet de déterminer sa résistance à la compression [45]. En désignant par d le diamètre de l'éprouvette en millimètre, F, la charge à la rupture en Newton, la résistance à la compression ä (MPa) est donnée par la relation :

II-4-3 : La Microstructure

La microstructure des produits a été déterminée par un microscope électronique à balayage au laboratoire d'analyse et de caractérisation des matériaux de DEMO-CENTER à Modéna (Italie). Une sonde électronique fine (faisceau d'électrons) est projetée sur l'échantillon à analyser. L'interaction entre la sonde électronique et l'échantillon génère des électrons secondaires, de basse énergie qui sont accélérés vers un détecteur d'électrons secondaires qui amplifie le signal. À chaque point d'impact correspond un signal électrique. L'intensité de ce signal électrique dépend à la fois de la nature de l'échantillon au point d'impact qui détermine le rendement en électrons secondaires et de la topographie de l'échantillon au point considéré. Il est ainsi possible, en balayant le faisceau sur l'échantillon, d'obtenir une cartographie de la zone balayée. Les agrandissements x 35, x50 et x500 ont ainsi été réalisés.

III-1 : LA CARACTERISATION PHYSIQUE DES MATERIAUX ARGILEUX III-1-1 : L'analyse granulométrique

Les résultats de l'analyse granulométrique de l'argile Nkolbisson (AN) et de la latérite d'Ekoundoum (LE) sont représentés sur la figure 11.

Ces résultats montrent que le matériau AN est constitué d'environ 68% de sable (2 mm > Ô >0,006 mm), 10% de limon (0,006 > Ô>0,002 mm et 12% d'argile minéralogique (Ô <0,002 mm) tandis que LE est constituée de 47% de sable, 22% de limons et 25% d'argiles minéralogiques. Le matériau LE est donc plus riche en fraction fine que AN. Généralement, plus un matériau est riche en fraction fine, plus il nécessite l'eau pour la réalisation d'une pâte plastique ou une barbotine de coulage.

Figure 11 : Courbes granulométriques des matériaux LE et AN. III-1-2 : La plasticité

La rhéologie étudie l'écoulement et la déformation de la matière [8]. Ainsi, l'étude de la rhéologie des pâtes peut conduire à la connaissance de la plasticité. Une masse semisolide comme l'argile humide peut être plus ou moins déformée par une force mécanique

sans perdre sa cohésion et sans que la masse montre une tendance à reprendre sa forme initiale. C'est dans ce sens qu'on emploie le terme « plasticité » en céramique [8].

Les résultats des limites de liquidité et de plasticité des matériaux LE et AN sont consignés dans le tableau IV.

De ces résultats, il en ressort que les matériaux AN et LE peuvent contenir 33 et 43% d'eau respectivement sans couler sous leur propre poids. Par contre, ils ne peuvent se déformer de manière plastique quand ils ont moins de 19 et 29% d'eau respectivement. Plus une argile est plastique, plus elle nécessitera d'eau pour former une pâte de consistance dite « normale » (c'est-à-dire ne collant pas aux doigts et pouvant supporter des corps inertes (dégraissant) tout en conservant une aptitude au façonnage appréciable et une résistance mécanique à sec suffisante pour assurer la fabrication [8,46].

III-2: LA COMPOSITION CHIMIQUE DES MATERIAUX

Les résultats des analyses chimiques des matériaux LE, AN et PD sont consignés dans le tableau V.

SiO2	63.11	40.60	46.61
Al2O3	21.20	27.14	14.33
CaO	0.32	0.04	7.59
MgO	0.43	0.05	5.95
Na2O	0.14	0,00	2.76
K2O	0.68	0.06	1.41
Fe2O3	4.05	17.73	13.95
TiO2	1.99	1.81	2.31
Cr2O3	0.22	0.19	0,00
L.O.I	5.60	11.20	0.90

De ces résultats, il ressort que les matériaux AN, LE, et PD contiennent tous la silice et l'alumine. Les teneurs en silice sont respectivement 40,60%, 46,61%, et 63,11% pour les matériaux LE, PD et AN. Les teneurs en alumine quant à elles sont de 14,33% pour PD, 21,20% pour AN et 27,14% pour LE. Le rapport molaire SiO2 /Al2O3 est égale à 5,25 pour AN, 2,54 pour LE, et 5,52 pour PD. Ce rapport, avoisinant 5 pour AN et inférieur à 3 pour LE traduit une faible proportion en fraction argileuse dans le matériau AN, par rapport au matériau LE. Pour tous ces matériaux, les teneurs en (SiO2 +Al2O3) sont supérieures à 60 % (84,31% pour AN, 67,74% pour LE, et 60,94% pour PD).

Les teneurs en oxyde de fer sont de 17,73% pour LE, 13,95 % pour PD et 4,05% pour AN. L'oxyde de calcium est à l'état de trace dans les matériaux AN et LE. Par contre, sa teneur est de 7,59 % dans le matériau PD. Il en est de même pour les oxydes de sodium et de potassium qui sont à l'état de trace dans les matériaux AN et LE et dont les teneurs sont respectivement de 2,76% et 4,81% dans le matériau PD. Les rapports molaires Na2O/Al2O3 sont de 0 pour LE, 0,011 pour AN et 0,31 pour PD. Tous ces matériaux ont une teneur en oxyde de titane TiO2 voisine 2%.

L'oxyde de chrome quasi inexistant dans le matériau PD, se trouve à l'état de trace dans les matériaux AN et LE. La perte au feu très faible pour PD (0,9%), se situe autour de 5,60% pour AN et 11,20% pour LE. LE contient plus de kaolinite que AN selon l'analyse aux rayons X.

III-3: L'ANALYSE MINERALOGIQUE DES MATERIAUX

Les diffractogrammes de rayons X de nos matières premières calcinées (AN 700°C, LE 700°C, et PD 700°C), et non calcinées (AN, LE, et PD) sont présentés sur les figures 12 à 14.

	Q			Q+R
			Q
Q		Q+R

Figure 12: Diffractogramme de rayons X de l'argile Nkolbisson, calcinéé et non calcinéé (AN et AN 700°C)

Figure 13: Diffractogramme de rayons X de la latérite d'Ekoumdoum calcinée et non calcinée (LE et LE 700°C)

Figure 14: Diffractogramme de rayons X de la pouzzolane de Djoungo, calcinée et non calcinée (PD et PD 700°C)

De ces résultats, il ressort que nos matières premières aluminosilicates contiennent :

- L'anorthite de formule CaAl2Si2O8, (fichier A.S.T.M 12-301), avec les raies principales à 3.20 Å, 4.18 Å, et 4.04 Å ;

- le diopside de formule CaMg(SiO3)2, (fichier A.S.T.M 11-654), dont les raies principales se situent à 2.99 Å, 2.53 Å et 2.89 Å ;

- l'enstatite de formule MgSiO3, (fichier A.S.T.M 7-216), dont les principales raies se situent à 3.17Å, 2.87 Å, et 2.49 Å ;

- la goethite de formule FeO(OH), (fichier A.S.T.M 17-536), dont les principales raies se situent à 4.18 Å, 2.69 Å, et 2.45 Å ;

- l'ilménite de formule FeTiO3, (fichier A.S.T.M 3-781), dont les principales raies se situent à 2.74 Å, 1.72 Å, et 2.54 Å ;

- la kaolinite (Si2O5Al2(OH)4, fichier A.S.T.M. 14-164), dont les principales raies se situent à 7.17, 3.58 Å, 1.49 Å;

- le plagioclase de formule 0.4 NaAlSi2O8, 0.6 CaAl2Si2O8 (fichier A.S.T.M 10-360) dont les principales raies se situent à 3.20 Å, 4.03 Å et 3.75 Å ;

- le quartz alpha de formule SiO2 (fichier ASTM 5-490) dont les raies principales se situent à 3.34 Å, 4.26 Å et 1.82 Å ;

- le rutile de formule TiO2, (fichier A.S.T.M. 4-551) dont les principales raies se situent à 3.25 Å, 1.69 Å et 2.49 Å;

L'on constate que les matériaux AN 700°C et LE 700°C ne contiennent plus la kaolinite. Ceci est dû à leur décomposition pendant le traitement thermique suivant l'équation (III. 1) [30]:

III-4 : LA CARACTERISATION GRANULOMETRIQUE DES POUDRES BROYEES III-4-1 : Les surfaces spécifiques des poudres utilisées

Les surfaces spécifiques déterminées par méthode BET, des matériaux broyés AN, LE et PD, calcinés et non calcinés, sont consignés dans le tableau V. La surface spécifique d'un matériau est un paramètre caractéristique du matériau qui peut avoir une grande influence sur son degré de réactivité lors d'une réaction de synthèse. Il ressort de ces résultats que le matériau LE possède une grande proportion en particules fines par rapport à au matériau AN, dont la proportion en particules fines est également supérieure à celle du matériau PD. Dans les procédés de géopolymérisation, l'étape de formation du précurseur géopolymérique est favorisée par la finesse des particules d'aluminosilicates [2] ; ce qui signifie que la vitesse initiale de réaction du matériau LE serait supérieur à celles des matériaux AN et PD.

III-4-2 : La granulométrie laser des poudres utilisées

Les informations obtenus par analyse granulométrique laser sur la taille des grains de poudres d'aluminosilicates utilisées pour synthèse géopolymérique sont présentées sur les figures 15 à 20.

- 10% de particules de diamètres inférieurs ou égales à 2,05 um et 1,28 um respectivement ;

- 50% des particules de diamètres inférieurs ou égales à 62,55 um et 10,89 um respectivement ;

- 90% de particules de diamètres inférieurs ou égales à 285,52 um et 80,04 um respectivement.

- 10% de particules de diamètres inférieures ou égales à 1,28 um et 1,87 um respectivement ;

- 50% des particules de diamètres inférieurs ou égales à 10,89 um et 11,56 um respectivement ;

- 90% de particules de diamètres inférieurs ou égales à 80,04 um et 173,42 um respectivement.

- 10% de particules de diamètres inférieurs ou égales à 4,03 um et 3,25 um respectivement ;

- 50% des particules de diamètres inférieurs ou égales à 43,09 um et 19,11 um respectivement ;

- 90% de particules de diamètres inférieurs ou égales à 141,93 um et 87,68 um respectivement.

La granulométrie des particules influence généralement la réactivité des matières premières aluminosilicates lors des synthèses géopolymériques. Si l'on ne s'en tient qu'aux valeurs de la granulométrie, les latérites seraient plus susceptibles de réagir, suivi de l'argile Nkolbisson et enfin des pouzzolanes. Mais la réactivité dépend surtout de la nature chimique et minéralogique du matériau [2], ce qui signifie qu'il est possible que l'on observe une réactivité indifférente de la granulométrie pour nos différents matériaux.

III-5 : LES PROPRIETES PHYSIQUES DES PRODUITS OBTENUS

Après réalisation des différentes formulations et traitement thermique, les matériaux AN 700°C et LE 700°C, ne se sont pas consolidés, d'où la non détermination de leur propriétés physiques. Par ailleurs, le degré de réactivité de LE, PD, et PD 700°C à 0 et 2% de réactif géopolymère (R), était insuffisant pour la détermination des valeurs de leurs pourcentages d'absorption d'eau et de leurs masses volumiques apparentes. Il en est de même pour AN à 0% de R.

Les matériaux AN à 10% de R ont présenté des efflorescences à partir de 3 jours de séchage dans l'atmosphère du laboratoire avant leur traitement aux différentes températures

d'études (250°C, 350°C, et 450°C). Après traitement thermique aucune formulation n'a présenté des efflorescences. La figure 21 montre les efflorescences observées sur les matériaux AN à 10% de R juste avant le traitement thermique.

Figure 21 : Efflorescences observées sur les matériaux AN à 10% de R, juste avant traitement thermique

Ces efflorescences ne sont en principe pas souhaitables et contribuent généralement à la dégradation des propriétés mécaniques des produits. Elles sont causées par la formation du carbonate de sodium par réaction chimique entre l'excès de sodium dans le matériau et le CO2 atmosphérique [2]. Elles peuvent être évitées dans certains cas par optimisation des conditions de curage.

III-5-1 : Le pourcentage d'absorption d'eau et la masse volumique apparente

Les résultats des pourcentages d'absorption d'eau et des masses volumiques apparentes des matériaux synthétisés sont présentés sur les figures 22 à 29.

Les résultats du pourcentage d'absorption d'eau et des masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à partir du matériau AN sont présentés sur les figures 22 et 23.

Figure 22 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de l'argile Nkolbisson (AN)

Figure 23 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de l'argile Nkolbisson (AN)

Les valeurs du pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à partir du matériau AN varient de 9,00 à 14,88% pour ceux traités à 250°C, 13,19 à 17,00% pour ceux traités à 350°C, et de 15,07 à 17,28% pour ceux traités à 450°C. D'une manière générale, ces pourcentages d'absorption d'eau diminuent avec l'augmentation du pourcentage de réactif géopolymère, et augmentent avec la température de curage. Ceci pourrait s'expliquer par le fait que l'augmentation du pourcentage de réactif géopolymère accroitrait le taux de réactivité du matériau, ce qui conduirait à une réduction de la porosité. Cependant, l'élévation de la température de traitement thermique (de 250°C à 450°C) conduirait à une meilleure élimination des matières organiques contenues dans le matériau. Les vides laissés par la combustion des matières organiques contribueraient alors à une augmentation de la porosité, d'où une augmentation du pourcentage d'absorption d'eau. Par ailleurs, les valeurs des masses volumiques apparentes sont comprises entre 1.74 et 1.90 g/cm³. Ces valeurs croissent légèrement avec l'augmentation de la teneur en réactif géopolymère et décroissent avec la l'augmentation de la température de traitement thermique ; ce qui est tout à fait normale. En effet, la masse volumique apparente et le pourcentage d'absorption d'eau des matériaux évoluent généralement de façons inverses [47].

Les résultats du pourcentage d'absorption d'eau et des masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à partir du matériau LE sont présentés sur les figures 24 et 25.

Figure 24: Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de la latérite d'Ekoumdoum (LE)

Figure 25 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de la latérite d'Ekoumdoum (LE)

Les valeurs du pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à partir du matériau LE varient de 17,87 à 22,6% pour ceux traités à 250°C, 22,8 à 25,5% pour ceux traités à 350°C, et 23,85 à 26,6% pour ceux traités à 450°C. D'une manière générale ces valeurs varient de manière similaire à ceux des géopolymères obtenus avec AN, néanmoins elles sont plus élevées que celles-ci. Certaines de ces valeurs sont supérieures à celle du pourcentage d'absorption d'eau maximale recommandée pour briques cuites exposées aux intempéries (20%) [48].

L'on n'observe pas de grandes différences entre les valeurs des masses volumiques ^quisont comprises entre 1.56 et 1.72 g/cm³. Toutefois l'on note une légère augmentation des

valeurs des masses volumiques lorsque le pourcentage de réactif géopolymère augmente, surtout avec 10% de R.

Les résultats du pourcentage d'absorption d'eau et des masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à partir des matériaux PD et PD700°C sont présentés sur les figures 26 à 29.

Figure 26 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de la pouzzolane de Djoungo (PD)

Figure 27 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de la pouzzolane de Djoungo (PD)

Figure 28 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de la pouzzolane de Djoungo calcinée à 700 °C (PD 700°C)

Figure 29 : Masse volumique apparente des géopolymères obtenus à base de la pouzzolane de Djoungo calcinée à 700 °C (PD 700°C)

Les valeurs du pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à partir des matériaux PD et PD 700°C varient de 10.02 à 12,66 % pour ceux traités à 250°C, 12 à 12.72 % pour ceux traités à 350°C, et 12.69 à 13,9 % pour ceux traités à 450°C. L'on observe ici une diminution des valeurs du pourcentage d'absorption d'eau lorsque la teneur en R passe de 6 à 10%, ce qui pourrait s'expliquer par le fait que plus il ya de réactif géopolymère, plus les réactions de consolidation géopolymériques sont importantes, conduisant ainsi à une réduction de la porosité. Les valeurs des masses volumiques apparentes sont quant à elles comprises entre 1,81 et 1.90 g/cm³, ce qui est proche de certaines valeurs de masse volumique des matériaux L.T.G.S observées dans la littérature [20].

III-5-2 : La résistance à la compression

Les résultats des résistances à la compression des matériaux synthétisés sont présentés sur les figures 30 à 33.

Les valeurs des résistances à la compression des géopolymères obtenus à partir du matériau AN sont présentées sur la figure 30.

Figure 30: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de l'argile Nkolbisson (AN)

Les valeurs des résistances à la compression des géopolymères obtenus à partir du matériau AN varient de 1 à 11,14 MPa pour ceux traités à 250°C, 1 à 8,28 MPa pour ceux traités à 350°C, et 1,9 à 19.10 MPa pour ceux traités à 450°C. D'une manière générale, la résistance à la compression augmente avec la teneur en réactif géopolymère pour nos températures d'étude. A 350 °C, l'on observe une légère baisse des résistances à la compression des différentes formulations. Cette baisse pourrait s'expliquer par la présence des réactions secondaires telles que la décomposition des matières organiques et les changements d'état d'oxydation du fer qui se produirait à cette température ; en effet, d'après Mackenzie [49], la décomposition des matières organiques constituées principalement de carbone se produirait entre 200 et 400°C (avec une réaction exothermique autour de 300°C), et celle de la goethite en hématite se produirait autour de 380°C suivant la réaction :

Les valeurs des résistances à la compression des géopolymères obtenus à partir du matériau LE sont présentées sur la figure 31.

Figure 31: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de la latérite d'Ekoumdoum (LE)

Les valeurs des résistances à la compression des géopolymères obtenus à partir du matériau LE varient de 1 à 4,93 MPa pour ceux traités à 250°C, 1 à 4,14 MPa pour ceux traités à 350°C, et 1 à 9,55 MPa pour ceux traités à 450°C. D'une manière générale, la résistance à la compression augmente avec l'augmentation de la teneur en réactif géopolymère pour chaque température d'étude. A 350 °C, la baisse des résistances à la compression des différentes formulations pourrait avoir les mêmes origines que pour le matériau AN. La différence du rapport SiO2/Al2O3 entre les matériaux AN et LE pourrait être à l'origine des écarts observés entre les résistances mécaniques des géopolymères synthétisés à partir de ces matériaux.

Les valeurs des résistances à la compression des géopolymères obtenus à partir des matériaux PD et PD 700°C sont présentées sur les figures 32 et 33.

Figure 32: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de la pouzzolane de Djoungo (PD)

Figure 33: Résistance à la compression des géopolymères obtenus à base de la pouzzolane de Djoungo calcinée à 700 °C (PD 700°C)

De ces résultats, il ressort que la résistance à la compression des différentes formulations augmente avec l'augmentation de la teneur en réactif géopolymère. Ces valeurs sont comprises entre 0,1 et 13, 88% pour les matériaux obtenus à partir de PD et entre 1,9 et 29,7 MPa pour les matériaux obtenues à base de PD 700°C. L'on n'observe pas de différence significative entre les résistances à la compression des matériaux obtenus après traitement à 250°C et 350° C. Par ailleurs, à 450°C, l'on observe une bonne monté de la résistance à la compression avec PD700°C à 10 % R qui avoisine 30 MPa. Pour toutes les températures, les résistances à la compression de PD 700°C sont supérieures à celle de PD ; ce qui signifie ici que le fait de calciner aurait augmenté la réactivité de PD.

III-5-3 : La Microstructure (MEB)

Les microstructures des produits obtenus sont présentées sur les figures 34 à 36.

Figure 34 : Microstructure des géopolymères obtenus à partir de AN à 10% R et traité à 450°C (agrandissement x 35 (a) et x500 (b)).

Figure 35 : Microstructure des géopolymères obtenus à partir de LE à 10% R et traité à 450°C (agrandissement x 35 (a) et x 500 (b)).

Figure 36: Microstructure des géopolymères obtenus à partir de PD 700 °C à 10% R et traité à 450°C (agrandissement x 50 (a) et x 500 (b)).

Ces microstructures font états de la présence d'une porosité visible sur les agrandissements x 35, mais non visible sur les agrandissements x500 pour les matériaux AN et LE. Pour le matériau PD 700°C, l'on observe la présence d'une faible porosité visible sur l'agrandissement x 50 et d'une porosité visible sur l'agrandissement x 500. L'on observe également une phase homogène pour les géopolymères à base de AN et LE, et une phase hétérogène, plus microporeuse, pour les géopolymères à base de PD.

III-6 : DISCUSSION GENERALE

Les rapports molaires SiO2/ _Al2O3 des matériaux AN, LE, et PD sont respectivement 5,25 ; 2,54 ; et 5,52. Les résistances maximales à la compression de ces matériaux sont respectivement de 19,1 MPa, 9,55 MPa, et 29,7 MPa. Au vu de ces résultats, nous pouvons dire que la résistance à la compression augmente avec le rapport SiO2/Al2O3 de nos différentes matières premières aluminosilicates ; ce qui est normale, car d'après la littérature [33], la résistance à la compression croit avec l'augmentation du rapport SiO2/Al2O3 jusqu'à atteindre un optimum où ce rapport se situe autour de 3,76, mais qui pourrait varier en fonction de la nature des matières premières aluminosilicates. Les résistances mécaniques faibles du matériau LE par rapport aux matériaux AN et PD pourraient s'expliquer d'une part par son rapport SiO2/Al2O3 faible (2,54) contre 5,25 et 5,52 pour AN et PD respectivement, et d'autre part par ses teneurs de pourcentage d'absorption d'eau élevées par rapport à ceux des matériaux PD et AN. Ces résultats sont en accord avec ceux observés dans la littérature ; en effet il à été démontré que la formation des pores au cours du traitement thermique des matériaux argileux réduit les résistances mécaniques [47]. Par ailleurs, De Silva et al [33] ont prouvé que l'augmentation de la proportion en alumine dans les matières premières aluminosilicates contribuait à réduire les résistances mécaniques des produits géopolymères. L'on pourrait également établir une corrélation entre les rapports molaires Na2O/Al2O3 de nos matières premières (0 pour LE, 0.011 pour AN et 0.31 pour PD) avec les résistances à la compression. En effet, les résistances à la compression croissent avec ces rapports jusqu'à atteindre un optimum ou ce rapport se situe autour de 1 [33, 50].

Les résistances mécaniques obtenues avec les matériaux PD 700°C sont supérieures à celles obtenues avec PD. En effet, d'après Komnitsas, et Zaharaki [2], le fait de calciner les matières premières aluminosilicates pour la réalisation des matériaux géopolymères contribuerait à libérer les silicates et aluminates, ce qui augmenterait alors leur degré de

réactivité. Toutefois les matériaux L.T.G.S sont un cas particulier de matériaux géopolymères dont les méthodes de synthèses proposés par Davidovits [1, 24, 51] ne font pas allusion à la nécessité de calcination préalable des matières premières aluminosilicates lors du procédé de synthèse ; la consolidation des matériaux L.T.G.S se produirait par polycondensation des micelles de kaolinite en milieu basique suivant la réaction :

Figure 37: Schéma de la polycondensation hydrothermale de Na- poly(syalate)[3].

Cette équation pourrait justifier la non réactivité observée sur les matériaux AN 700°C et LE 700°C (contenant la métakaolinite), par rapport aux matériaux AN et LE (contenant la kaolinite). Pour ce qui est du matériau PD la présence des minéraux tel que l'anorthite, dans les phases calcinées et non aurait fortement contribué à la formation des structures consolidées. En effet la structure en réseau de ce minérale (figure 41) participerait à la formation de la structure géopolymère [24].

La teneur élevée (7,59 %) en oxyde de calcium dans le matériau PD par rapport au matériau LE (0,04 %), et AN (0,32 %) est également l'une des causes des bonnes résistances à la compression de ce matériau. En effet, il à été démontré [2, 32] qu'une substitution de 10% d'aluminosilicate par l'hydroxyde de calcium lors de la synthèse des matériaux géopolymères avait des effets bénéfiques sur les propriétés mécaniques.

Malgré sa grande proportion en particules fines par rapport aux matériaux AN et PD,

le matériau LE a présenté des résistances à la compression relativement faibles ; ce ^quisignifie que la réactivité comparative de nos différentes matières premières aluminosilicates a

été beaucoup plus liée à leur nature chimique et minéralogique qu'a la taille de leurs particules constitutives.

Au terme de notre étude, il ressort que la calcination des matériaux AN et LE ne permet pas d'obtenir des produits consolidés dans nos conditions de travail (granulométrie des matières premières, plages de températures de traitement thermique et concentrations de réactifs géopolymères). Les matériaux AN, LE, (non calcinés), et PD (calciné ou non), se consolident bien dans nos conditions de travail.

L'analyse chimique de nos matières premières a montré que les rapports molaires SiO2/ _Al2O3 sont respectivement 5,25; 2,54 ; et 5,52 pour les matériaux AN, LE et PD.

La détermination des propriétés physiques des produits obtenus après synthèse montre

- la masse volumique apparente et la résistance à la compression croissent légèrement avec l'augmentation de la teneur en réactif géopolymère alors que le pourcentage d'absorption d'eau décroit ;

- la résistance à la compression croît avec l'augmentation du rapport SiO2/Al2O3 de nos matières premières aluminosilicates ;

- la microstructure des matériaux fait état d'une phase homogène pour les géopolymères à base de AN et LE, et d'une phase hétérogène, plus microporeuse, pour les géopolymères à base de PD.

Nous avons également observé qu'il est difficile d'établir une corrélation entre la taille des particules et le degré de consolidation des produits géopolymères pour des matières premières aluminosilicates de nature différente. Les résistances maximales à la compression sont respectivement de 11,14 MPa, 4,93 MPa, 13 MPa, et 21,8MPa pour les matériaux AN, LE, PD, et PD 700°C, traités à 250°C. A 350°C, elles sont respectivement de 8,28 MPa, 4,14 MPa, 13,8 MPa, et 21,9 MPa. Les plus grandes résistances à la compression observées sur nos matériaux ont été obtenues sur les produits traités à 450°C. Elles sont respectivement de 19,1MPa, 9,55 MPa, 13,88 MPa, et 29,7 MPa pour les matériaux AN, LE, PD, et PD 700°C. Ces résistances correspondent tous aux formulations à 10% de R, ce qui laisse présager qu'elles pourraient encore croitre si l'on augmentait la teneur en réactif géopolymère. Malgré les efflorescences observées sur AN à 10% de R avant traitement thermique, cette formulation présente les meilleures résistances à la compression des matériaux obtenus à partir de AN aux différentes températures d'études ; ce qui signifie qu'une optimisation des conditions de curage pourrait accroitre les propriétés mécaniques de nos matériaux. Les valeurs de résistances à la compression obtenues à partir des géopolymères à base de LE sont faibles pour certaines applications dans le domaine de la

construction, qui nécessitent parfois des résistances en compression supérieures ou égales à 10 MPa. Les matériaux AN et PD par contre pourraient bien être utilisés dans la production des matériaux de construction géopolymères (briques, tuiles, pavés...). Toutefois il est possible que l'incorporation des poudres de silice dans le matériau LE puisse contribuer à l'amélioration de ces résistances en compression.

Comme perspective, nous nous proposons d'améliorer les propriétés mécaniques des produits en étudiant les paramètres de curage (humidité relative de l'enceinte de curage, temps et températures de traitement thermique), et en optimisant la préparation des matières premières (granulométrie des particules, teneurs en eau et méthode d'homogénéisation des formulations avant la mise en forme). Nous comptons ensuite réaliser des essais de durabilité et de résistances aux acides sur les produits synthétisés, puis, les comparer avec ceux obtenus par le réactif géopolymère commercialisé par l'Institut CORDI-GEOPOLYMERE. Nous comptons enfin réaliser des essais de synthèse d'activateurs alcalins avec les matières premières locales (calcaire et trona), puis des essais de synthèse des matériaux géopolymères optimisés a base d'activateurs alcalins locaux, et proposer un protocole de synthèses a petite échelle des briques géopolymères à partir des matières premières essentiellement locales.

[43] ASTM C 20 - 74-(1979) Stadard Test Methods for apparent porosity, water absorption, apparent specific gravity, and bulk density of burned refractory brick by boiling water .

Tableau 8 : Analyse granulométrique par tamisage humide de AN
Ouvertures tamis (mm)	% tamisat
2,000	90,6
0,800	76,2
0,500	68,6
0,400	63,4
0,200	54,2
0,100	44,8
Tableau 9 : Analyse granulométrique par tamisage humide de LE
Ouvertures tamis (mm)	% tamisat
2,000	93,6
0,800	82,2
0,500	74,6
0,400	71,6
0,200	60,6
0,100	52,8

% < 100um = 44,80 prise d'essai P = 20,0g volume de la suspension V = 1000 cm³					Température 25		#177; 1°C
t(s)	A	B	R=A-B	Hr(10-²m)	D(pm)	% D(P)	% des passants
30	19,5	-2,5	22	14,45	69,19	88,33	39,57
60	18	-2,5	20,5	14,765	49,46	82,31	36,88
120	15,7	-2,5	18,2	15,248	35,54	73,08	32,74
300	14,5	-2,5	17	15,5	22,66	68,26	30,58
600	13,5	-2,5	16	15,71	16,13	64,24	28,78
1200	12	-2,5	14,5	16,025	11,52	58,22	26,08
2400	10,5	-2,5	13	16,34	8,23	52,20	23,38
4800	8,5	-2,5	11	16,76	5,89	44,17	19,79
7200	7	-2,5	9,5	17,075	4,86	38,14	17,09
14400	5,5	-2,5	8	17,39	3,46	32,12	14,39
86400	2,5	-2,5	5	18,02	1,44	20,08	8,99

% < 100um = 52,80 prise d'essai P = 20,0g volume de la suspension V = 1000 cm³					Température 25		#177; 1°C
t(s)	A	B	R=A-B	Hr(10-²m)	D(pm)	% D(P)	% des passants
30	19,5	-2,5	22,00	14,45	69,19	88,33	46,64
60	17,5	-2,5	20,00	14,87	49,63	80,30	42,4
120	16	-2,5	18,50	15,19	35,46	74,28	39,22
300	14,5	-2,5	17,00	15,50	22,66	68,26	36,04
600	13,5	-2,5	16,00	15,71	16,13	64,24	33,92
1200	13	-2,5	15,50	15,82	11,45	62,23	32,86
2400	11,75	-2,5	14,25	16,08	8,16	57,22	30,21
4800	10,75	-2,5	13,25	16,29	5,81	53,20	28,09
7200	10	-2,5	12,50	16,45	4,76	50,19	26,5
14400	9,75	-2,5	12,25	16,50	3,37	49,19	25,97
86400	9	-2,5	11,50	16,66	1,38	46,17	24,38

Tableau 12 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de AN

% de R	250 °C 350 °C 450 °C
	Pourcentage d'absorption d'eau (%)
2	14,88	17	17,28
4	13,3	16,34	17,01
6	13	16,16	17,49
8	11,18	16	16,88
10	9	13,19	15,07

Tableau 13 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de AN

% de R	250 °C 350 °C 450 °C
	Masse volumique apparente (g/cm³)
2	1,77 1,75 1,76
4	1,81	1,76	1,77
6	1,79	1,75	1,76
8	1,83	1,74	1,75
10	1,9	1,82	1,8

Tableau 14 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de AN

% de R	250 °C 350 °C 450 °C
% de R	Résistance à la compression (MPa)
0	1	1	1,9
2	2,29	1,59	4,14
4	2,54	3,18	5,25
6	3,98	3,82	7,64
8	7,32	7,16	8,28
10	11,14	8,28	19,1

Tableau 15 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de LE

Tableau 16 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de LE

Tableau 17 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de LE

% de R	250 °C 350 °C 450 °C
	Résistance à la compression (MPa)
0	1	1	1
4	1,7	1,59	3
6	1,9	2	3,18
8	3,82	2	4,14
10	4,93	4,14	9,55

Tableau 18 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de PD

Tableau 19 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de PD

Tableau 20 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de PD

Tableau 21 : Pourcentage d'absorption d'eau des géopolymères obtenus à base de PD 700 °C

Tableau 22 : Masses volumiques apparentes des géopolymères obtenus à base de PD 700°C

Tableau 23 : Résistances à la compression des géopolymères obtenus à base de PD 700 °C