Memoire Online - Valorisation des géo ressources argileuses de la région de Kinshasa pour améliorer la qualité et la durabilité des matériaux de construction utilisés dans l'habitat périurbain.

Afin de répondre aux objectifs fixés, les échantillons vont être caractérisés d'un point de vue chimique, minéralogique et physique. La caractérisation chimique consistera à déterminer la composition chimique élémentaire par fluorescence X. La caractérisation minéralogique se fera par diffraction des rayons X. La caractérisation physique consistera à déterminer la teneur en eau naturelle, la teneur en matières organiques, la masse volumique, les limites d'Atterberg, et la granulométrie.

Une analyse sur poudre totale et sur la fraction argileuse a été réalisée sur chaque échantillon. La préparation des échantillons s'est faite selon le protocole du laboratoire Argiles, Géochimie et Environnements sédimentaires de l'Université de Liège (Fagel, 2010) adapté selon Moore et Reynolds (1989).

Pour la poudre totale, les échantillons ont été séchés à l'étuve à 30°C, broyés manuellement dans un bol en agate, puis tamisés pour récupérer les fractions inférieures à 250 ìm. On a ensuite constitué des pastilles à l'aide des supports métalliques pour la diffractométrie. Pour la minéralogie de la fraction argileuse, nous avons réalisé un agrégat orienté. Un agrégat orienté est un dépôt de particules argileuses inférieures à 2 ìm sur une lame de verre (Moore et Reynolds, 1989). L'analyse par Diffraction des Rayons X (DRX) des minéraux argileux étant basée sur la connaissance des distances réticulaires (001), on cherche à renforcer les réflexions (001) en orientant les particules (Moore et Reynolds, 1989). Pour se faire, une petite portion de chaque échantillon séché est placée dans un berlin et mélangée à l'eau distillée, puis homogénéisée par agitation sur une plaque magnétique. Une fois l'échantillon bien homogénéisé, s'en est suivi un tamisage à 63 ìm, en présence d'eau.

Le tamisat est récupéré et laissé au repos pendant 50 minutes pour que la sédimentation s'effectue. On récupère enfin à l'aide d'une pipette de 1,5 cc à la profondeur de 1 cm la fraction inférieure à 2 ìm. Cette portion est posée sur une lame de verre de 25 x 25 mm et laissée sécher pendant au moins 12 heures.Les lames orientées obtenues pour chaque échantillon sont analysées au diffractomètre pour fournir les diffractogrammes dits diffractogrammes à l'état normal (N).

Certaines argiles ont des distances réticulaires voisines, et sont donc difficiles à différencier sur un diffractogramme orienté à l'état normal. C'est pourquoi, toutes les lames orientées à l'état normal ont subi deux nouveaux traitements :

- la solvatation à la vapeur d'éthylène-glycol (EG) : se fait sous cloche et a pour conséquence de faire gonfler les feuillets de certains minéraux argileux (Fagel, 2010) ;

- le chauffage à 500°C : permet de déshydrater le minéral argileux (Fagel, 2010).

Ces deux traitements modifient l'espace interfoliaire de manière spécifique et permettent de différentier les espèces argileuses entre elles (Fagel, 2010).

L'échantillon de poudre placé sur lame de verre est bombardé par des rayons X obtenus en bombardant une anode de cuivre par un faisceau d'électrons accélérés dans le vide. Ces rayons X au contact avec la poudre sont réfléchis par chaque cristallite de la poudre selon une orientation dans l'espace. Les rayons X réfléchis interfèrent entre eux avec diverses intensités (Tucker et Hardy, 1988). On enregistre l'intensité détectée en fonction de l'angle de déviation 2è (deux-thêta) du faisceau. La courbe obtenue s'appelle diffractogramme ou spectre DRX. En analysant les spectres DRX obtenus, il est possible de déterminer les phases minérales qui constituent la poudre. En effet, pour certains angles de déviation 2è du faisceau, on détecte des rayons X. Ce sont les « pics » du diffractogramme. Ces angles de déviation sont caractéristiques de l'organisation des atomes dans la maille cristalline.

Dans les autres directions, on ne détecte pas de rayon X, c'est la ligne de fond du signal (Tucker et Hardy, 1988). Si l'on calcule les directions dans lesquelles on a du signal, on s'aperçoit que l'on obtient une loi très simple :

où è est la moitié de l'angle de déviation, n est un nombre entier appelé «ordre de diffraction», ë est la longueur d'onde des rayons X et d la distance entre les plans d'alignement des atomes ou distance interréticulaire. C'est la loi de Bragg (Tucker et Hardy, 1988).

Par la suite, le logiciel EVA a été utilisé pour lire les diffractogrammes et permettre d'identifier les phases minérales, grâce au paramètre d.

La spectrométrie de fluorescence X (SFX ou FX) est une technique d'analyse chimique élémentaire d'un échantillon. Elle constitue une des premières étapes dans la caractérisation de tout matériau et permet d'éclairer les propriétés des échantillons argileux en vue d'une utilisation dans diverses applications.

Lorsque l'on bombarde de la matière avec des rayons X, celle-ci réémet de l'énergie sous la forme de rayons X, dont le spectre est caractéristique de la composition de l'échantillon. En analysant ce spectre, on peut en déduire la composition élémentaire (les concentrations massiques en éléments).

Le spectromètre utilisé est de marque ARLTM PERFORM'X du laboratoire de pétrologie sédimentaire (PETROSED) de l'ULg.

Le matériau est séché à 40°C, broyé et tamisé à 250 um. La perte de masse par chauffage est d'abord déterminée. Pour cela, l'échantillon est chauffé à une température de 1000 °C pendant 2 heures. Cette température est atteinte en 4 heures. Il est ensuite décomposé par un broyage manuel, puis mélangé à une proportion de 11x sa masse (+/- 0,0003) au flux de borax (Na2B4O7.10H2O) et à environ 0,002 gr de LiBr. Ces composés ont pour propriété de baisser la température de fusion. Les 3 composants (borax, LiBr et échantillon) sont ensuite mélangé manuellement puis soumis à la fusion en s'assurent une bonne homogénéité. La dernière étape consiste à réaliser des perles qui seront analysées. Étant donné qu'un solvant de borax a été utilisé, l'oxyde de sodium Na2O n'est pas dosé. Les concentrations élémentaires ont été obtenues en réalisant une calibration par rapport à des standards (Adler, 1966 ; Lachnitt, 1983; Müller, 1972).

L'analyse granulométrique permet de classer les grains d'un échantillon selon leurs tailles, et donne le pourcentage de chaque classe par rapport au poids total de l'échantillon. L'échantillon à classer est passé dans une série de tamis emboîtes ayant des diamètres d'ouverture croissants du bas vers le haut : 2,38mm et 4,76 mm. L'échantillon est placé dans le tamis supérieur et le classement se fait par vibration manuelle ou à l'aide d'une plaque vibrante.

Le refus récupéré dans chaque tamis est alors pesé et le pourcentage déterminé. Le résultat est reporté sur une courbe granulométrique.

La sédimentometrie est la technique la plus adaptée pour repartir en classes granulométriques les éléments plus fins que 75 ìm. L'échantillon est mélangé à un défloculant (le sulfate de sodium) afin de séparer les colloïdes ; et à l'eau. Le tout est mixé puis place à 20°C pendant 24h avant d'être homogénéise par agitation manuelle.

La vitesse de sédimentation des particules solides (v) est liée à leur diamètre (D), à leur masse spécifique (Ys), à la masse spécifique du liquide qui les contient (Yl) et à la viscosité de ce même liquide (ç), selon la relation :

Au temps t après le début de la sédimentation, la suspension ne contient à la profondeur h de la surface, que des particules d'une certaine vitesse et d'un certain diamètre. Le pourcentage en poids de ces particules à cet instant peut être calculé au moyen d'un aéromètre en tenant compte des corrections liées à la température ou encore au défloculant (Peltier et Rumpler, 1959).

Les limites de consistance ou limites d'Atterberg correspondent aux proportions en eau pour lesquelles le matériau argileux passe d'un comportement semi-liquide à un comportement plastique (limite de liquidité, WL), et ensuite d'un comportement plastique à un comportement semi-solide (limite de plasticité WP) (fig. II.3). Les limites d'Atterberg servent à classer les sols, et à prévoir leur comportement lorsqu'ils sont sollicités mécaniquement (Peltier et Rumpler, 1959).

Fig. II.3 : Limites de consistance (Centre de recherches routières, 1981).

On prend 200 gr de matériaux de granulométrie inférieure à 425 ìm, on y ajoute de l'eau pour bien homogénéiser et former une pâte argileuse. Celle-ci est placée ensuite dans une coupelle et on définit une lèvre calibrée. Ensuite l'échantillon est secoué sur l'appareil de Casagrande, et on note le nombre de coups correspondant à la fermeture de la lèvre sur 1 cm. On s'efforce à avoir toujours un nombre de coups compris entre 15 et 35. Les mesures sont reportées sur un graphique teneur en eau - nombre de coups.

On utilise la pâte argileuse pour former un petit boudin de 3 ou 4 cm de long, puis on le roule sur une surface plane jusqu'à ce qu'il atteigne une longueur d'environ 10 cm de long et 3 mm de diamètre à sa rupture. La limite de plasticité correspond à la teneur en eau du boudin à sa rupture.

On répète la manipulation 3 fois et la limite de plasticité correspond à la valeur moyenne de ces 3 mesures.

Elle caractérise l'intervalle où le matériau argileux demeure plastique ou façonnable. Elle s'obtient par la différence entre la limite de liquidité et de plasticité : Ip = WL - WP

La mesure de la masse volumique s'est faite à l'aide d'un pycnomètre à gaz suivant la norme NF EN ISO 8130-2 au laboratoire de matériaux de construction de l'ULg. Ce pycnomètre est un moyen rapide de mesurer avec précision la masse volumique et la porosité d'un matériau. Cet appareil utilise un gaz (l'hélium dans notre cas) à une pression variant entre 140-170 kPa. L'échantillon à analyser, de masse connue Me, est introduit dans la petite cellule en aluminium du pycnomètre. L'hélium est alors confiné à une certaine pression P1 dans le volume V1 connu d'une cellule. Le gaz est ensuite libéré dans le volume de détente V2 dans lequel se situe l'échantillon. On obtient alors une certaine pression P2. Le volume Ve de l'échantillon peut être déterminé grâce à la loi des gaz parfaits. La mesure est

La perte au feu (LOI, Loss On Ignition) est la perte de poids de l'échantillon par processus de déshydratation (élimination de l'eau de constitution des minéraux, élimination de l'humidité résiduelle,...) et la disparition de la matière organique.

L'échantillon est chauffé dans un four pendant 24 heures à 105 °C afin de le déshydrater. La différence des pesées entre l'échantillon non chauffé et chauffé donne la teneur en eau. Ensuite, la matière organique est éliminée sous formes de cendres et de CO2 durant une chauffe de 4 heures à 550 °C dans un second four (mesures réalisées au laboratoire AGEs de l'ULg). L'analyse dans notre cas s'est faite sur un échantillon de terre, d'environ 1,5 gr que l'on a placé dans un bol en céramique d'environ 10 ml.

Cette formule considère que l'échantillon contient de l'eau et des particules sédimentaires.

La densité est fonction du type de grain en g/cm³ : Calcite 2,71 ; Quartz 2,65 ; Argiles 1,8-2,2 ; Opale 1,4 ; Eau 1 ; ...

La teneur en matière organique est calculée selon la perte au feu à 550 °C suivant :

Le carbone organique total peut être estimé à 50 % de la MO totale (Tucker et Hardy, 1988). V.2 Caractérisation des liants

Les liants sont des minéraux souvent classifiés en deux catégories : les liants hydrauliques (ciment Portland, chaux hydraulique, laitiers, ciments spéciaux, etc.) et les liants aériens (chaux aérienne, gypse, plâtre, argile, etc.), qui diffèrent selon la manière dont ils durcissent. Les liants hydrauliques durcissent grâce à la réaction qu'ils développent avec l'eau alors que les liants aériens ont besoin de CO2 pour durcir par carbonatation (Van Balen, 2005).

Parmi la chaux, on peut spécifier deux types : la chaux hydraulique et la chaux aérienne, qui diffèrent selon le processus de production, et donc du matériau brut utilisé. La chaux aérienne est obtenue par la calcination de calcaire naturel ou de coquillages alors que la chaux hydraulique est produite à partir de calcaire impur, contenant des composés argileux ou organiques ou des mélanges de calcaire et d'argile. Dans cette étude, seule la chaux hydraulique sera traitée dans la phase expérimentale.

Les pouzzolanes sont des matériaux n'ayant aucune capacité propre de liant mais pouvant réagir avec de la chaux Ca(OH)2 en présence d'eau à température ambiante afin de former des composants du

- les pouzzolanes naturelles : proviennent généralement de l'activité volcanique mais aussi de la sédimentation consolidée. C'est par exemple la terre de Santorin, le tuff et le trass de la région du Rhin en Allemagne, la Bavière, la Roumanie et la pierre ponce de l'Eifel en Allemagne. (Verhasselt, 1993)

- les pouzzolanes artificielles obtenues par calcination de certaines argiles, schistes argileux et autres diatomites. Ils possèdent les mêmes propriétés que les pouzzolanes naturelles (Verhasselt, 1993).

Dans le cas des liants chaux/pouzzolane, les pouzzolanes réagissent avec le Ca(OH)2 de la chaux hydratée. La vitesse globale de la réaction pouzzolanique dans les liants dépend de nombreux facteurs (Hewlett, 2004) : la quantité de pouzzolane dans le liant ; la quantité de SiO2 dans la pouzzolane ; la nature des phases actives dans la pouzzolane ; la surface spécifique de la pouzzolane ; les propriétés physiques et chimiques du ciment et/ou de la chaux hydratée ; la durée de durcissement ; la température ; le rapport eau/solide.

D'une manière générale, la teneur en silice augmente lorsque la température et/ou la durée de combustion augmente, et lorsque la perte au feu, liée à la quantité de carbone, diminue (Sabuni, 1995). Les impuretés principales de la cendre sont des produits alcalins dont le potassium est le constituant prédominant (Zhang et al., 1996). Un changement de couleur est observé en fonction de la teneur en carbone (allant du noir vers le blanc, voir le rose pâle lorsqu'il n'y pas plus la présence de carbone. Composition minéralologique

Pour obtenir une cendre pouzzolanique, la CBR doit contenir de la silice amorphe (Feng et al., 2004). Durant la calcination, la cendre peut se cristalliser donnant des faibles propriétés pouzzolaniques. Toutes les recherches ont montré que pour l'éviter, la température de combustion ne doit pas excéder 750°C. Halleux (2012), a effectué une représentation qualitative des phases amorphes et cristallines de la silice par DRX sur trois échantillons de cendres de balles de riz calcinées à des températures différentes : 600, 700 et 800°C. Le spectre a montré des raies correspondant aux distances inter-réticulaires du quartz (3,34 ; 4,26 ; 1,82 et 1,54), de la cristobalite (4,04 ; 2,49 et 2,47) et de la tridymite (4,11 et 4,33). Il a remarqué que :

- la cendre obtenue à 600°C présentait une distance inter-réticulaire « d » proche de 4,20311 pouvant expliquer la présence de cristobalite et dont l'intensité était plus faible que pour celui représentant la cristobalite à 700°C. Cela explique donc la formation de phases cristallines lorsque la température augmente.

- entre la DRX caractérisant la cendre calcinée à 600°C et la DRX pour une cendre calcinée à 800°C, la quantité de quartz diminue. Il y a donc transformation du quartz en phase cristalline.

Durant la combustion, la matière organique est brûlée, produisant une cendre de balle dont la masse est d'environ 20% de la masse initiale des balles. Il s'agit d'un matériau poreux, riche en silice mais dont les propriétés dépendant beaucoup des conditions de calcination (Feng et al., 2004). Ainsi, la cendre produite par des incinérateurs à hautes performances en laboratoire peut généralement atteindre de haut pourcentage de silice pouvant atteindre 98 % (Halleux, 2012). La calcination s'est faite suivant un protocole proposé par Halleux (2012). Elle utilise un four pouvant atteindre de hautes températures. Une quantité de 2,2 kg est calcinée à chaque fournée de 2 heures. On obtient ainsi à chaque fois 400 g de cendres environ. Lors de la calcination, une couche de carbonisation se forme tout autour du profilé, ce qui empêche la balle de riz située à la périphérie de prendre correctement feu. Pour palier à cela, un mélange fréquent est recommandé afin de casser cette couche de

carbonisation. Un mélange a été réalisé toutes les 30 minutes pour obtenir une cendre de couleur quasi homogène. La température de calcination est de 600°C.

La surface spécifique de la CBR dépend aussi des conditions de calcination (température, durée). En effet, la cristallisation de la silice mène à l'agglomération des particules, alors que la présence de carbone dans la cendre, augmente la surface spécifique étant donné que le carbone est très poreux (Jaturapitakkul et Roongreung, 2003). La surface spécifique peut être contrôlée par le broyage. En broyant la CBR, on diminue la taille des particules et on augmente la surface spécifique. La structure poreuse se casse et donne lieu à des fines particules poreuses possédant des propriétés similaires de celles de la fumée de silice (Sabuni, 1995). Mais le broyage ne doit pas être prolongé afin d'éviter la destruction complète de la structure poreuse et une agglomération des particules diminuant ainsi la surface spécifique de la CBR (Bui et al., 2005). La surface spécifique de la CBR influence la réaction pouzzolanique avec de la chaux. Elle est plus importante lorsque la surface spécifique augmente (Feng et al., 2004). La grande surface spécifique demandera également une quantité importante d'eau pour obtenir une bonne mise en oeuvre du mélange incorporant la balle de riz (Feng et al., 2004).

La granulométrie de la CBR a été réalisée après un broyage et un tamisage manuels.

Dans notre étude, nous avons choisi les tamis à 250ìm, 150ìm, 75ìm et 53ìm. Cela nous a donc permis d'obtenir une cendre avec une granulométrie proche des valeurs trouvées dans la littérature : < 250 um : 95 % ; < 150 um : 85 % ; < 75 um 67 % ; < 53 um : 54 %.

Feng et al., 2004 ont indiqué que la réaction pouzzolanique augmentait avec l'accroissement de la quantité de silice amorphe et l'augmentation de la surface spécifique. Différentes méthodes existent pour déterminer l'activité pouzzolanique. Beaucoup reposent sur le concept de la variation de conductivité électrique, et montrent que la cendre de balles de riz a une activité pouzzolanique similaire à celles obtenues pour d'autres pouzzolanes artificielles (cendres volantes et fumées de silice). (Bui, 2001 ; Feng et al., 2004).

L'activité pouzzolanique de la CBR a été effectuée par la méthode de Luxan et al. (1989). C'est une méthode indirecte et qualitative basée sur la mesure du changement de conductivité électrique. Luxan et al. (1989) imposent une solution saturée en chaux Ca(OH)2 de 200 ml à une température de 40°C avec 5g de cendres. On mesure tout d'abord la conductivité de la chaux seule dans de l'eau déminéralisée, via les ions Ca²⁺ et les ions OH^- en provenance du Ca(OH)2 . Ensuite on ajoute la CBR. La silice amorphe commence à réagir avec les Ca(OH)2 et forme des C-S-H¹. Cette réaction réduit le nombre d'ions de Ca²⁺ et OH^- présents dans la solution et diminue la conductivité électrique. La variation de la conductivité électronique est calculée en soustrayant la valeur de la conductivité de la solution eau-chaux par la somme des conductivités des solutions eau-chaux-CBR et eau-CBR. D'après Luxan et al. (1989), un matériau est considéré comme ayant une mauvaise activité pouzzolanique lorsque la variation de conductivité est inférieure à 0,4 mS/cm ; une pouzzolanicité variable lorsque la variation se situe entre 0,4 et 1,2 mS/cm ; et une bonne pouzzolanicité lorsque la variation est supérieure à 1,2 mS/cm.

La CBR a été testée deux fois, et la valeur moyenne a été sélectionnée (tableau V.1).

1 C-S-H (Calcium silicate hydrate) est le résultat de la réaction entre la chaux, la silice et l'eau 3Ca(OH)2 + 2SiO2 + H2O ? 3CaO . 2SiO2 . 3H2O + H2O

	Conductivité chaux + cendres [mS/cm]	Conductivité eau + cendres [mS/cm]	Variation de conductivité électrique
7,89	5,25	0,759	1,896
7,88	5,33	0,675	1,859
			Moyenne 1,878

Tableau V.1 : Activité pouzzolanique obtenue par la méthode de Luxan et al. (1989).

La CBR pouzzolanique réagit avec le Ca(OH)2 présent dans la chaux hydratée. Cela entraîne la formation de produits stables et insolubles dont principalement des phases de C-S-H. La quantité de Ca(OH)2 ou d'ions Ca²⁺ est donc moindre quand il y a une addition de CBR (Bui, 2001 ; Villar-Cocina et al., 2003 ; Zhang et al., 1996). Les propriétés des mélanges chaux-CBR (ou chaux-CBR et terre) publiées sont peu nombreuses, partielles et concernent souvent la résistance en compression. D'une manière générale, les résistances des mélanges chaux-CBR augmentent après l'addition de CBR dû à la réaction pouzzolanique ; bien qu'elles sont encore plus faibles que celles obtenues pour un ciment de référence (Stroeven et al., 1999 ; Jaturapitakkul et al., 2003). Les compositions des mélanges chaux CBR trouvées dans la littérature varient de 20 % à 80 %. Les meilleurs résultats ont étaient obtenus en utilisant 50% de CBR et 50% de chaux (Waswa-Sabuni et al., 2003).

Valorisation des géo ressources argileuses de la région de Kinshasa pour améliorer la qualité et la durabilité des matériaux de construction utilisés dans l'habitat périurbain.

V. Matériel et méthode

V.1 Analyse des terres et des argiles