Actuellement, l’industrie ou domaine consommatrice des matériaux réfractaires et des matériaux anti-feu ne cessent pas d’augmenter et de développer. Face à ces besoins, les matériaux doivent donc améliorer ses propriétés que ce soit physique, thermique ou chimique. Pour avoir des matériaux anti-feu de qualité supérieure, il est important de bien sélectionner les matières premières utilisées et d’améliorer le procéder de fabrication. Suite au développement de la recherche actuelle sur les matériaux, on a trouvé que les matériaux réfractaires et le matériau anti-feu peuvent fabriquer à partir des géopolymères.
En 1979 le chimiste français Joseph Davidovits est le premier avoir mené des études sur les géopolymères. Le nom géopolymère provient de l’analogie faite par l’inventeur entre ce matériau inorganique et les polymères organiques. Les premiers géopolymères ont été synthétisés par réaction hydrothermale d’aluminosilicate avec une solution alcaline activante ; cette solution est composée de cations alcalins et d’anions silicate. Concernant particulièrement Madagascar, les balles de riz sont des déchets agricoles et très abondants et exploitables, le kaolin aussi qui est une matière première existant localement en quantité importante avec des gisements accessibles. Ces matières premières faciles à exploiter sont les sources de la silice et d’alumine qui sont les bases des matériaux géopolymères. Ces informations nous avons inspiré l’idée du thème de ce présente mémoire qui s’intitule «Etude et essai de fabrication d’un matériau géopolymère anti-feu à base des cendres de balle de riz, du métakaolin et du silicate de soude».
GENERALITES SUR LE REFRACTAIRE
Définition
Une substance ou un mélange de substances, soit naturel, soit artificiel, est dit réfractaire, par convention, lorsque sa température de fusion, déterminée selon les normes, est supérieure à 1500°C. Il faut tenir compte que la température de fusion n’est pas la seule qualité requise à laquelle doit correspondre un matériau pour être utilisé comme réfractaire. En particulier il ne doit pas se ramollir ni se déformer aux températures élevées.
Caractéristiques technologiques des produits réfractaires
Les produits réfractaires sont caractérisés par leurs propriétés spécifiques. Ce sont:
➤ caractéristiques physico-chimiques
➤ caractéristique mécanique et chimique (corrosion) à chaud et à froid.
La connaissance de ces caractéristiques est importante dans l’étude des produits réfractaires.
Caractéristiques physico-chimiques
Les caractéristiques physico-chimiques sont :
a) La composition chimique des matières premières :
Nous verrons cette étude dans l’étude du métakaolin et cendre de balle de riz dans le prochain chapitre et dans la préparation des matières premières à la deuxième partie
b) La porosité :
La porosité dépend :
– de la porosité des grains utilisés ;
– de la granulométrie employée ;
– du système de façonnage ;
– du degré de cuisson ;
– et dans une moindre mesure, delà forme du grain et du pourcentage de fondants.
En général ; la porosité des briques réfractaires varie de 10 % à 25 % et 40 %à 75% pour les réfractaires isolants. La porosité exerce une influence importante sur de nombreuses propriétés :
– la résistance mécanique et la résistance à l’affaissement sous charge diminue d’abord lentement, puis plus rapidement au fur et à mesure que la porosité augmente ;
– la conductivité thermique diminue également lorsque la porosité croît ;
– la perméabilité augmente d’ abord lentement, et ensuite plus rapidement au fur et à mesure que la porosité augmente. Elle est fortement influencée par la dimension et la forme de grains.
c) La densité :
Il y a deux catégories de densité dans l’étude des réfractaires, densité absolue qui est le rapport de masse d’une prise d’échantillon par son volume absolu (pores exclus) et densité apparente qui est le rapport de la masse de l’éprouvette par son volume apparent (pores inclus). La densité apparente varie inversement avec la porosité et n’est pas constante pour un même type de réfractaires.
Caractéristiques physiques à chaud
Un produit réfractaires est, généralement ; constitué de cristaux entourés d’une phase vitreuses moins résistante .Au fur et à mesure que la température croit, la proportion de verre augmente et la masse cristalline diminue. La résistance pyroscopique ne correspond ni à la température de fusion complète , ni à une viscosité déterminée et moins encore à la température maximale d’utilisation .Par exemple, les réfractaires de silice et silico-alumineux à 42-44% d’ alumine affiches la même réfractarité , alors que les premières peuvent être utilisés à des températures proches de celle correspondant à la résistance pyroscopique et les seconds peuvent seulement être employés à des températures inférieures de quelques centaines de degrés .En effet , au-dessus de l’ordre de 1100°C à 1350C, selon la quantité de la phase vitreuse, cette dernière se modifie et a tendance à être un liquide visqueux : on a alors le début de fluage . La déformation du réfractaire peut aussi être due, en même temps, à des sollicitations mécaniques.
L’étude du comportement tension -déformation a mis en évidence l’importance du temps sur le comportement rhéologique des matériaux réfractaires .Pour caractériser ce comportement, on utilise généralement le fluage .La cristallisation sous charge et l’écoulement visqueux peuvent être favorisés ou entravés par des phénomènes de nature physico-chimique, tels que :
– grossissement des cristaux ;
– transformations irréversibles ;
– transformations allotropiques ;
– réactions chimiques avec formation ou disparition de phase.
Les déformations des matériaux réfractaires varient donc avec la température à tension égale :
– à la température ambiante l’allure de la courbe est linéaire ;
– jusqu’ à la température 1000°C à 1100°C la courbe débute de façon linéaire puis elle commence à se déformer plus rapidement .Ce deuxième type de comportement se situe dans un intervalle limité de température qui dépend du genre de matériaux essayés ;
– à des températures plus élevées, les courbes ne sont plus linéaires, la déformation augmente très rapidement avec la tension, peu de temps avant la rupture .Ce comportement se manifeste aux environs de la température d’utilisations des matériaux réfractaires .
Le comportement des produits aux chocs thermiques, c’est à-dire les déformations dues à un réchauffage brusques et à un refroidissement rapide, présente une différence importante :
– la chauffe produite des efforts de cisaillement
– le refroidissement provoque des efforts de tractions .
Autrement dit :
– un réfractaire qui a une faible résistance au cisaillement et une résistance élevée à la traction s’écaille par chauffage rapide, mais il ne présentera pas peu de fêlures s’il est refroidit brusquement ;
– par contre, un réfractaires à haute résistances aux efforts normaux ne s’écaille pas facilement lors d’un échauffement rapide mais se fissure par refroidissement rapide.
Les réfractaires moins poreux sont plus sensibles aux chocs thermiques .Ils sont très souvent caractérisés par un mélange de grains grossiers (jusqu’ a 70%environ) et de grains fins Le coefficient de dilatations influence également la résistance aux chocs thermiques .Un matériau ayant une dilatation régulière et relativement faible avec l’augmentation de température a une bonne résistance aux chocs thermiques . C’est le cas du réfractaires silico-alumineux à 42-44% d’alumine de magnésie par exemple.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LE REFRACTAIRE
I. Définition
II. Classification des réfractaires
1. Classification selon les constitutions chimiques
2. Subdivisions selon le procédé de fabrication
III. Caractéristiques technologiques des produits réfractaires
1. Caractéristiques physico-chimiques
2. Caractéristiques physiques à chaud
3. Caractéristiques mécaniques à froid
4. Principe de fabrication
IV. Domaine d’utilisation des matériaux réfractaires
1. Industrie de Sidérurgie
2. Industrie de Métallurgie des non ferreux
3. Industrie de verrerie
4. Industrie de Pétrochimie
5. Industrie de la chimie et Gazéification des Charbons
6. Fours Céramiques
7. Chaudières
CHAPITRE 2 : GENERALITES SUR LES GEOPOLYMERES
1. Historique
2. Définition
3. Nomenclature, structure et caractérisation des géopolymères
4. Matières premières utilisées pour l’élaboration des géopolymères
a. Matériaux aluminosilicates
b. Les solutions activatrices
5. Mécanisme de la géopolymérisation
a. Synthèse des géopolymères
b. L’effet des silicates
c. L’effet du rapport Si / Al
d. L’effet des cations Na+ et K+
6. Les produits géopolymères
7. Utilisation des matériaux géopolymères
CHAPITRE 3 : GENERALITES ET SYNTHESE DUMETAKAOLIN
I. KAOLIN
I.1. La kaolinite
I.1.1. Généralités
I.1.2. Caractéristiques de la kaolinite
I.2. Impureté dans le kaolin
I.3. Formation du kaolin
I.3.1. Les kaolins primaires ou kaolins résiduels
I.3.2. Les kaolins secondaires ou sédimentaires
I.4. Applications courantes du kaolin
II. METAKAOLIN
II.1. Les méthodes de production de métakaolin
a. La calcination flash
b. La calcination lente
c. La calcination dans un four de cuisson de briques
III. Utilisations du METAKAOLIN
CHAPITRE 4 : GENERALITES SUR LA BALLE DE RIZ ET CBR
I. BALLE DE RIZ
1. Définition
2. PROPRIETES MORPHOLOGIQUES
3. PROPRIETES PHYSIQUES
a. La masse volumique
b. Conductivité thermique
c. Pouvoir calorifique
d. Résistivité
4. PROPRIETES CHIMIQUES
5. AUTRES PROPRIETES
6. MODE D’OBTENTION
7. MODE ET CONDITIONS DE STOCKAGE
8. UTILISATIONS ACTUELLES DE LA BALLE DE RIZ
9. AUTRES UTILISATIONS
10. QUELQUES INCONVENIENTS
II. CENDRE DE BALLE DE RIZ
1. Définition
2. Type
a. La RHA ou Rice Husk Ash
b. La CRH ou Carbonized Rice Husk
3. Propriété particulière de la silice
Partie 2 : ETUDE EXPERIMENTAL
CHAPITRE 1 : Préparation des matières premières
I. Métakaolin
1. Kaolin
2. Calcination du kaolin
II. Cendre de balle de riz
1. Cuisson de la balle de riz
a. Caractéristiques de l’incinérateur de balles de riz
b. Processus de la cuisson des balles de riz
c. Broyage de la cendre de balles de riz
d. Tamisage
III. Sable
IV. SOUDE CAUSTIQUE
V. EAU
CHAPITRE 2 : Fabrication des éprouvettes
I. Préparation du liant géopolymère
1. Dosage en silice et en soude
2. Quantité d’eau
3. Mise en œuvre
II. Préparation de la pâte
III. Melange et malaxage
IV. Moulage
V. Séchage
VI. Cuisson
CHAPITRE 3 : ESSAIS ET CARACTERISATION DES EPROUVETTES
I. Essai physique
1. Rétrait lineaire et volumique
2. Porosité, densité apparente et densité réelle
3. Densité
II. Résistance à la compression
CHAPITRE 4 : RESULTATS ET INTERPRETATIONS
A. Première partie du résultat
a. Les paramètres variables
b. Les paramètres fixes
I. Retrait dimensionnel et massique après séchage
1. Dimension avant et après séchage des échantillons
2. Masse avant et après séchage et densité apparente
3. Diagrammes représentatives
II. Retrait dimensionnel et massique sous l’effet de la cuisson à 800°C
1. Dimensions, masses après cuisson à 800°C et densités apparentes
2. Digrammes représentatives
III. Retrait dimensionnel et massique sous l’effet de la cuisson à 900°C
1. Dimensions, masses après cuisson à 900°C et densités apparentes
2. Histogrammes représentatives
3. Observation et interprétation
IV. Retrait dimensionnel et massique sous l’effet de la cuisson à 950°C
1. Dimensions, masses après cuisson à 950°C et densités apparentes
2. Diagrammes représentatives
3. Observation et interprétation
V. Retrait dimensionnel et massique sous l’effet de la cuisson à 1000°C
1. Dimensions, masses après cuisson à 1000°C et densités apparentes
2. Diagrammes représentatives
3. Observation et interprétation
VI. POROSITE
1. Porosité après séchage
a. Diagrammes représentatives
b. Observation et interprétation
2. POROSITE APRES CUISSON 1000°C
a. Diagrammes représentatives
b. Observation et interprétation
VI. RESISTANCE A LA COMPRESSION
1. RESISTANCE A LA COMPRESSION APRES SECHAGE
2. RESISTANCE A LA COMPRESSION APRES CUISSON 1000°C
3. Diagrammes
4. Observation et interprétation
VII. Conclusion
B. Deuxième partie du résultat
I. Retrait dimensionnel et massique après séchage
1. Dimension avant et après séchage des échantillons
2. Masse avant et après séchage et densité apparente
3. Diagrammes représentatives
4. Interprétation
II. Retrait dimensionnel et massique sous l’effet de la cuisson à 1000°C
1. Dimensions avant et après cuisson à 1000°C
2. Masses avant et après cuisson à 1000°C
3. Diagrammes
4. Interprétation
III. Porosité
1. Porosité après cuisson 1000°C
a. Diagrammes représentatives
b. Observation et interprétation
IV. RESISTANCE A LA COMPRESSION
1. Résistance à la compression après séchage
2. Résistance à la compression après cuisson 1000°C
3. Diagrammes
4. Interprétation
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE
