REPUBLIQUE DU BENIN ---
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
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UNIVERSITE D’ABOMEY CALAVI ---
ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI ---
DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL/BTP ---
MÉMOIRE DE FIN DE FORMATION EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION GRADE MASTER
OPTION : BATIMENT ET TRAVAUX PUBLICS
THEME
CARACTERISATION PHYSIQUE ET MECANIQUE D’UN COMPOSITE A MATRICE CIMENTAIRE AMELIOREE A LA POUZZOLANE DE BALLE DE RIZ ET RENFORCE PAR DES
FIBRES DE BAGASSE DE CANNE A SUCRE
Sous la direction de :
Pr Emmanuel OLODO ; Maître de conférences des universités du CAMES
Dr Valéry K. DOKO ; Maître Assistant des universités du CAMES.
Réalisé par:
Tiambo Abbas DATCHOSSA
Année académique 2018-2019 /12ième promotion
COMPOSITION DU JURY
Président du jury
Pr Victor GBAGUIDI
Membres du jury
Pr Emmanuel OLODO
Dr Valéry K. DOKO
Ing Pamphile VODOUHE
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas i DÉDICACE
À mon père janvier DATCHOSSA et à ma mère Mariama KASSA pour l’amour du travail qu’ils ont su m’inculquer, pour leur affection, leur encouragement et leur attachement exceptionnel au sens de la responsabilité parentale.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas ii REMERCIEMENTS
À DIEU Tout Puissant, Gloire soit rendue pour son assistance et sa protection quotidienne tout au long de ce cursus universitaire : Père, ce document n’est que le fruit de ta miséricorde infinie. Aussi, voudrais-je avoir une attention toute particulière à la Vierge Marie pour son intercession quotidienne.
L’homme étant un être social, ses œuvres sont inéluctablement le résultat de nombreux efforts consentis par les membres de la société à laquelle il demeure attaché quotidiennement.
L’élaboration du présent mémoire n’a donc été possible que grâce au soutien indéfectible et à la franche collaboration de plusieurs personnes. Je tiens donc à exprimer mes sincères remerciements et ma profonde gratitude au :
au Pr Guy ALITONOU, Directeur de l’EPAC ;
au Pr François Xavier FIFATIN, Directeur Adjoint de l’EPAC ;
au P r SOUMANOU M. Mohamed, ex Directeur de l’EPAC;
au Pr Clément AHOUANNOU ex Directeur Adjoint de l’EPAC;
au Dr Gossou Jean HOUINOU , Docteur Ingénieur en Génie Minier et Topographie ; Chef du Département de Génie Civil de L’EPAC, pour tous les sacrifices consentis pour la bonne marche des activités pédagogiques au sein du département ;
au Pr (MC) Emmanuel OLODO, Maître de Conférences des Universités, mon Maître de mémoire pour sa disponibilité tout au long de cette période de stage. au Dr Valery K. DOKO, Maitre-assistant des universités, mon CO-Maître de mémoire, qui a consacré beaucoup de temps, et a largement contribué à l’aboutissement de mes travaux de recherches par la qualité de ses suggestions. Je le remercie aussi pour le soutien moral et matériel qu’il nous a apporté et grâce auquel ce travail a été conduit à terme ;
au Pr Edmond ADJOVI, Professeur titulaire des Universités du CAMES.
au Pr (MC) Adolphe TCHEHOUALI, Maître de Conférences des Universités.
au Pr (MC) Aïssè Gérard GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités;
au Pr (MC) François de Paule CODO, Maître de Conférences des Universités.
au Pr (MC) Mohamed GIBIGAYE, Maître de Conférences des Universités;
au Pr(MC) Victor GBAGUIDI, Maître de Conférences des Universités;
au Dr Agapit HOUANOU, maitre-assistant des Universités.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas iii
au Dr Agathe HOUINOU;
au Dr Codjo Luc ZINSOU, Maître Assistant des Universités;
au Dr Crépin ZEVOUNOU, Maître Assistant des Universités
au Dr Ezéchiel ALLOBA, Maître Assistant des Universités;
au Pr (MC) Gédéon CHAFFA, Maître de conférences des Universités ;
au Dr Guy ADEOTI;
au Dr Léopold DEGBEGNON, Maître Assistant des Universités ;
au Dr Mathias SAVY, Maître Assistant des Universités ;
au Pr (MC) Taofic BACHAROU, Maître de conférences des Universités ;
au Dr Tonalémi Epiphane WANKPO;
au Dr Pascal Cokou AGBAGNAN;
à la Dre Yvette KIKI;
à toute la 12ème promotion des élèves ingénieurs de l’EPAC plus particulièrement Térah ASSOCLE, Géoffroy ZANNOU, Zianath ADECHINAN, Farid ALAO Clément AKPABLI ;
nous voudrions exprimer notre reconnaissance envers l’ingénieur WOROU Joël pour son grand soutien et sa disponibilité qui ont vraiment facilité ce travail.
Je voudrais remercier de façon particulière tous ceux qui à travers leurs remarques m’ont aidé dans ce travail il s’agit de :
nous tenons à remercier spécialement Monsieur P a m p h i l e V O D O U H E ACODJI, qui fut la première personne à nous faire découvrir le sujet qui a guidé notre mémoire, Doctorant en Génie Civil, dont la franche collaboration, les multiples conseils, le soutien et surtout la disponibilité, nous ont permis l’aboutissement de ces travaux de recherches;
Ing Damien AHOSSI, toutes mes reconnaissances pour vos apports ;
Mr Olivier TCHEDE, chef service du laboratoire de génie civil
Mr Raoul GANDAHO pour toute sa participation tout au long de ce travail
Toute l’équipe de recherches, je veux nommer les Ingénieurs … pour avoir été le creuset d’échange et de solidarité pour une bonne évolution des travaux.
Je voudrais enfin porter une mention toute spéciale sur toute ma famille. Ainsi, je pense tout particulièrement :
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas iv
À mon père Janvier DATCHOSSA, pour m’avoir inculqué l’amour du travail, et pour les nombreux sacrifices consentis à mon égard ;
À ma mère Mariama KASSA, pour son amour, son affection et son soutien ;
À maman Honorine IDANI pour l’éducation qu’elle m’a donnée et pour l’affection qu’elle a partagé avec moi ;
À ma tante Jacqueline DATCHOSSA et son époux Djimon SAHGUI, pour tout leur soutien depuis mon arrivée ici à Calavi ;
Au Secrétaire générale de la mairie de Matéri, Mathias KIANSI, pour son soutien dans les moments difficiles ;
À tous mes oncles qui n’ont jamais cesser un instant de prier pour moi ;
À mon tuteur Dayanguipo IDANI et son épouse, pour leur participation constructive dans ma vie ;
À ma chérie Fatima BOULANKI, pour avoir été pour moi une grande source de motivation.
À mon jeune frère Ismaël DATCHOSSA pour tous ses encouragements.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas v HOMMAGE
À NOS ENCADREURS
Pr (MC) Emmanuel OLODO, notre maître de mémoire, pour avoir accepté encadrer ce travail malgré toutes ses occupations.
Ce document n’aurait pas vu le jour sans votre rigueur, vos remarques pertinentes, votre courtoisie et votre esprit d’ouverture.
Recevez à travers cet hommage l’expression de notre profonde gratitude.
Hommage à vous, professeur !
Au Dr DOKO K. Valery, maître assistant des universités du CAMES, notre co-maître de mémoire, qui s’est donné sans condition pour la réussite du présent travail.
Recevez à travers cet hommage l’expression de notre profonde gratitude.
Hommage à vous, Docteur !
Au doctorant Ing Pamphile VODOUHE ACODJI, infiniment merci pour tout. Pour nous avoir guidé tel un moniteur durant ce travail. Vos conseils vos remarques, votre disponibilité et cette rigueur que vous tenez du professeur nous ont permis d’amener ce travail à son aboutissement. Merci pour vos nombreux mots d’encouragement qui venaient toujours à temps pour nous relever, vous avez été pour nous un grand frère durant ces 6 derniers mois.
Merci à vous ! HOMMAGE
À son Excellence M. le Président du jury pour avoir accepté présider ce travail malgré vos innombrables occupations.
Recevez à travers cet hommage notre gratitude
Aux Honorables membres du Jury pour avoir accepté examiner ce travail.
Infiniment merci.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas vi RÉSUMÉ
Le présent rapport de recherche est consacré à la caractérisation physique et mécanique d’un composite à matrice cimentaire amélioré à la pouzzolane de balle de riz et renforcé par des fibres de bagasse de canne à sucre.
La mise en œuvre a été essentiellement de rechercher le taux de substitution optimal de ciment par la cendre de balle de riz et celui du sable par la bagasse de canne à sucre qui présenterait une bonne résistante en traction et en compression tout en déterminant les caractéristiques physiques et mécaniques du matériau. La bagasse et pouzzolane ont donné des résultats satisfaisants qui ont été confirmés par les essais mécaniques.
Les résultats issus de l’étude mécanique montrent que le mortier de bagasse de canne à sucre a respectivement une résistance à la flexion et la compression à 14 jours de 4.78MPa et de 15.39MPa avec un dosage en fibre de 3% du sable.
Quant au composite de Cendre de balle riz on a obtenu respectivement une résistance à la flexion et à la compression de 3.11MPa et de 18.17MPa pour un taux de substitution de 6%
(taux qui n’est pas choisi comme optimal mais comme celui où nous en sommes arrêté).
Comme pour toutes les fibres végétales, ces résistances diminuent en fonction de l’augmentation du dosage en fibres, pour la bagasse de canne à sucre. Le même comportement s’observe avec la cendre de balle de riz. Aussi la masse volumique varie dans le même sens que les caractéristiques mécaniques.
Mots clés : Bagasse, Balle de Riz, composite, matrice, matrice cimentaire, fibres végétales.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas vii ABSTRACT
This research report is devoted to the physical and mechanical characterization of a cement matrix composite enhanced with rice husk pozzolana and reinforced with sugarcane bagasse fibers.
The main objective was to find the optimum substitution rate of cement by rice husk ash and sand by sugar cane bagasse, which would have good tensile and compressive strength while determining the physical and mechanical characteristics of the material. The bagasse and pozzolan gave satisfactory results which were confirmed by the mechanical tests.
Results from the mechanical study show that the sugarcane bagasse mortar has a 14 day flexural and compressive strength of 4.78 MPa and 15.39 MPa, respectively, with a fiber dosage of 3%
of the sand.
As for the rice husk ash composite, a flexural and compressive strength of 3.11MPa and 18.17MPa was obtained respectively for a substitution rate of 6% (a rate which is not chosen as optimal but as the one in which we are stopped).
As with all plant fibers, these resistances decrease with increasing fiber dosage for sugarcane bagasse. The same behavior is observed with rice husk ash. Also the density varies in the same direction as the mechanical characteristics.
Key words: Bagasse, Rice Ball, composite, matrix, cement matrix, plant fibers.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas viii
LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 :composition chimique du clinker ... 8
Tableau 2 : caractéristiques chimiques des cendres de bagasse ... 18
Tableau 3 : production mondiale de riz ... 20
Tableau 4 :caractéristiques physiques du ciment ... 35
Tableau 5 :caractéristiques mécaniques du ciment ... 36
Tableau 6 :Données d’équivalent de sable ... 60
Tableau 7 :données d’essais de masse volumique réelle sur le sable ... 60
Tableau 8:Données de masse volumique réelle sur la BCS ... 61
Tableau 9 :données d’essai d’absorption de la bagasse de canne à sucre ... 62
Tableau 10 : Données sur la masse volumique absolue de CBR ... 62
Tableau 11 : données d’essai de Fluorescence aux Rayons X ... 64
Tableau 12 :Fiche de recueillement des données d’essai à la chaux saturée. ... 64
Tableau 13 : Evolution de l’étalement avec le taux de CBR ... 65
Tableau 15 :évolution de l’étalement avec le taux de BCS ... 66
Tableau 16 :évolution de la masse volumique avec le taux de la BCS ... 67
Tableau 17 :évolution de la masse volumique avec le taux CBR ... 68
Tableau 18 :évolution de la masse volumique du mortier durci avec le taux de BCS . 69 Tableau 19 : l’évolution de la masse volumique du mortier durci avec le taux de CBR ... 70
Tableau 20 : données d’essai de flexion des ECBR à 7jrs ... 71
Tableau 21 : données d’essai de flexion des EBCS à 7jrs ... 72
Tableau 22 : données d’essai de flexion des ECBR à 14jrs ... 73
Tableau 23 : données d’essai de flexion des EBCS à 14jrs ... 74
Tableau 24 : données d’essai de compression des ECBR à 7jrs ... 75
Tableau 25 : données d’essai de compression des EBCS à 7jrs ... 76
Tableau 26 : données d’essai de compression des ECBR à 14jrs ... 77
Tableau 27: données d’essai de compression des EBCS à 14jrs ... 78
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas ix
LISTE DES FIGURES Figure 1: évolution de la production de la canne à sucre entre 1995 et 2014 au Bénin 17 Figure 2 :courbe d’AG de la BCS ... 34
Figure 3:Principe de l’essai de Frattini ... 40
Figure 4:Pesées nécessaire à la détermination de la masse volumique d’un matériau fin. ... 43
Figure 5 :principe de fonctionnement du perméabilimètre de blaine ... 45
Figure 6 :Graphe de DRX à 600°C ... 63
Figure 7 :Graphe de DRX à 700°C ... 63
Figure 8 :comparaison de l’indice d'activité à la chaux de la CBR 600 et de la CBR 700 ... 65
Figure 9 :effet du taux de cendre sur l’étalement ... 66
Figure 10 : effet du taux de BCS sur l’étalement ... 67
Figure 11:effet du taux de BCS sur la masse volumique du mortier frais ... 68
Figure 12 :effet du taux de CBR sur la masse volumique du mortier frais ... 69
Figure 13 :effet du taux de la BCS sur la masse volumique du mortier durci ... 69
Figure 14 : effet du taux de CBR sur la masse volumique du mortier durci ... 70
Figure 15 : effet du taux de CBR sur la résistance en flexion des ECBR à 7jrs... 71
Figure 16: effet du taux de BCS sur la résistance en flexion des EBCS à 7jrs ... 72
Figure 17 : effet du taux de CBR sur la résistance en flexion des ECBR à 14jrs... 73
Figure 18 : effet du taux de BCS sur la résistance en flexion des EBCS à 14jrs ... 74
Figure 19:effet du taux de CBR sur la résistance en compression des ECBR à 7jrs .... 75
Figure 20 :effet du taux de BCS sur la résistance en compression des EBCS à 7jrs ... 76 Figure 21 :effet du taux de BCR sur la résistance en compression des ECBR à 14jrs . 77 Figure 22 :effet du taux de BCS sur la résistance en compression des EBCS à 14jrs . 78
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas x
LISTE DES PHOTOS PHOTO 1 :BCS utilisée dans la présente étude ... 33
PHOTO 2 : Préparation du mortier à renfort de BCS ... 83
PHOTO3:éprouvettes conservées dans les moules au laboratoire de Génie Civil ... 83
PHOTO 4 :pesage des matériaux pour la confection d’éprouvettes ... 84
PHOTO 5 :four du laboratoire de l’INE ... 84
PHOTO 7 :pesage des CBR après calcination au laboratoire de Chimie ... 85
PHOTO 6 :Balle de Riz utilisée dans la présente étude ... 85
PHOTO 8 : Aspect la CBR après calcination complète de la balle de riz ... 86
PHOTO 9 : Ecrasement des éprouvettes ... 86
PHOTO 10 :Appareil d’essais de flexion et de compression utilisé ... 87
PHOTO 11 : Table à secousse utilisée(labo GC) ... 87
PHOTO 12 : : étuve du laboratoire de Génie Civil... 88
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas xii NOTATIONS
CPJ ou CEM II : ciment portland avec ajout CPA ou CEM I : ciment portland artificiel E/C : rapport eau sur ciment
fcj : résistance à la compression à j jours d’âge ha : hectare
S/C : Rapport sable Ciment T : tonne
𝜌 : Masse volumique ES : Equivalent de sable Mf : Module de finesse 𝐦𝐜 : La masse de ciment 𝐦𝐬 : La masse du sable
𝝆𝒄 : La masse volumique du ciment 𝝆𝒔 : La masse volumique du sable
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas xi LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS
ASTM : American Society for Testing and Material AG : Analyse Granulométrique
Dr : Docteur
EN : European Norms NF : Norme Française Ing : Ingénieur
MPa : Mégapascal
NOCIBE : Nouvelle Cimenterie du Bénin ONU : Organisation des Nations Unies GES : Gaz à Effet de Serre
Pr : Professeur
SCB : Société des Ciments du Bénin ET : Eprouvettes Témoins
CBR : Cendre de Balle de Riz
CBR 600 : Cendre de Balle de Riz obtenue à 600°C CBR 700 : Cendre de Balle de Riz obtenue à 700°C BCS : Bagasse de Canne à Sucre
EBCS : Eprouvettes de Bagasse de Canne à Sucre ECBR : Eprouvettes de Cendre de balle de Riz
ETCBR : Eprouvette Témoins de Cendre de Balle de Riz DRX : Diffraction des Rayons X
msat : Masse du matériau saturé msec :Masse du matériau sec Ab : Absorption
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas xiii
LISTE DES ANNEXES ANNEXE 1 :Production de la Canne à sucre au Bénin entre 1995 et 2014 ... 88
ANNEXE 2 :vitesse d’évolution de la calcination à 400°C ... 89
ANNEXE 3 : vitesse d’évolution de la calcination à 500°C ... 90
ANNEXE 4 : vitesse d’évolution de la calcination à 550°C ... 91
ANNEXE 5 : vitesse d’évolution de la calcination à 600°C ... 92
ANNEXE 6:La fiche de recueillement de l’analyse granulométrique du sable utilisé pour la présente étude ... 93
ANNEXE 7:Fiche de recueillement de l’AG sur la BCS ... 93
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas xiv
SOMMAIRE DÉDICACE ... i
REMERCIEMENTS ... ii
HOMMAGE ... v
RÉSUMÉ ... vi
ABSTRACT ... vii
LISTE DES TABLEAUX ... viii
LISTE DES FIGURES ... ix
LISTE DES PHOTOS ... x
NOTATIONS ... xii
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS ... xi
LISTE DES ANNEXES ... xiii
SOMMAIRE ... xiv
Introduction ... 1
1 Généralité et revue de littérature ... 5
1.1 Généralité ... 5
1.2 Revue de littérature ... 21
2 Matériel, Matériaux et Méthode ... 27
2.1 Matériel ... 27
2.2 Matériaux ... 27
2.3 Méthodologie ... 53
3 Résultats et discussion ... 59
3.1 Sur matériaux (sable, BCS, pouzzolane) ... 59
3.2 Sur composites ... 65
Conclusion et perspectives ... 79
Références bibliographiques ... 80
Annexe ... 83
Table des matières ... 94
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 1 Introduction
Contexte d’étude et justification
Aucun développement durable n’est possible s’il ne tient compte de la protection de l’environnement : C'est le troisième principe de la Déclaration de Rio sur l'environnement et le développement (Nations Unies, 2012), qui attire l‘attention des nations du monde à faire face aux problèmes environnementaux qui menacent l'existence de notre planète. La Dre Corinne Gendron ne disait pas autre chose quand elle suggérait de voir le développement sous trois angles (Trudel, 2007) de la façon suivante : l'objectif du développement est l'amélioration de la qualité de vie des populations (aspect social) ; la contrainte est la préservation de notre planète (aspect environnemental) et le moyen d'y arriver est l'efficacité et la rentabilité des méthodes utilisées (aspect économique).
Il faut donc à tout prix associer développement et protection de l’environnement ; ou mieux, vue la situation actuelle de notre planète, viser un développement incluant les aspects suivants : aspect environnemental, aspect social, et aspect économique.
Les différents acteurs de développements doivent donc trouver des moyens de réduction des polluants environnementaux en particulier l’émission des gaz à effet de serre. Celui dont il faut faire plus attention est le dioxyde de carbone car il est le plus produit.
Tenant compte de cette nécessité, les acteurs du génie civil que nous sommes, nous sentons, dans l’obligation de trouver des solutions réduisant l’émission de ces GES dans notre secteur d’activités.
Les bâtiments et autres constructions représentent plus de 35% de l'énergie finale mondiale et près de 40% des émissions de CO2 liées à l’énergie utilisée en 2016(Aberge, Dean, and Dulac 2017).
Dans le même sciage, les travaux de W. Ernst, P. Lynn, H. C et O. L (2001) montrent que plus de 60 % des émissions de CO2 lors de la fabrication de ciment provient de phénomène de transformation du calcaire (CaCO3) sous l’effet de la température en chaux (CaO) et en gaz carbonique (CO2). L’émission mondiale de CO2 de l’industrie cimentière est estimée à 375 millions de tonnes en 2007 soit 7% des émissions mondiales de CO2.
D’ailleurs, les travaux de (Nguyen, 2010) ont montré que le bâtiment, par la production du ciment, occupe la seconde place dans la production du CO2 après les industries.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 2 Ces informations nous montrent clairement que le ciment, liant le plus utilisé dans les constructions, est une grande source de menace de l’existence de la vie à long terme. Cependant il est le moins coûteux et a un accès facile à toutes les populations en comparaison avec les autres matériaux de construction. Comme on ne dispose pas réellement, à l’heure actuelle, de liant écologique pouvant offrir toutes ces facilités aux utilisateurs, il faut tout au moins trouver un moyen de diminuer sa consommation.
C’est dans ce cadre que s’inscrit le présent travail
Plusieurs chercheurs ont travaillé et continuent de travailler activement à rechercher des substituants écologiques au ciment.
Ce présent travail vise à proposer une alternative à la réduction de la quantité de ciment utilisé dans la réalisation des éléments de remplissage. Cela permettra de réduire la part de ciment utilisée pour la confection des agglos et en conséquence la réduction de la production du ciment à travers les industries cimentaires.
Les plantes chlorophylliennes (composés organiques) ont plus de 50% de carbone dans leur constitution et ce même quand elles se sèchent.
Ainsi leur combustion incomplète libère du monoxyde de carbone dans la nature. Ce gaz ayant une densité proche de celle de l’air se combine très facilement avec celui-ci et produit du dioxyde de carbone.
Dans la sous-région, plusieurs de ces plantes sont souvent brulées libérant ainsi du dioxyde de carbone dans la nature ; Au nombre de ces plantes figurent les fibres de bagasse de canne à sucre. Si au lieu de bruler ces fibres on peut les utiliser comment renfort des composites à matrice cimentaire des éléments de remplissage, on aurait fait un double gain en ce sens qu’on renforcera la protection de l’environnement des émissions de CO2 tout en améliorant les caractéristiques thermiques de ce composite.
Le présent projet vise à faire la caractérisation physique et mécanique d’un composite à matrice cimentaire amélioré à la pouzzolane faite de balles de riz et renforcé par des fibres de bagasse de canne à sucre.
Il induira un développement incluant les trois aspects, exigés par la Dre Corinne Gendron, de la manière suivante :
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 3 Au plan social
Les balles de riz et les bagasses de canne à sucre sont souvent considérées comme des déchets que brule la population. Désormais ces déchets peuvent être considérés comme une source de revenu. L’utilisation de la bagasse de canne à sucre dans les composites à matrice cimentaire, comme renfort des éléments de remplissage, améliorera le confort thermique (naturel) dans les logements en milieu rural et dans nos villes en ce sens que les composites renforcés de fibres végétales offrent une bonne isolation thermique.
Au plan économique
La fabrication du ciment est très énergivore ce qui fait que le coût du ciment est élevé. Si on peut réduire la quantité de ciment, en remplacement d’une pouzzolane, on réduit ainsi la consommation de l’énergie. Ce qui aura pour conséquence la réduction des coûts de production et de vente.
Au plan environnemental
Si au lieu de bruler les fibres de bagasse de canne à sucre et les balles de riz, on peut utiliser les fibres comment renfort d’un composé à matrice cimentaire, et les balles pour en faire des pouzzolanes, on aurait fait un double gain sur la protection de l’environnement des émissions de CO2. En effet, au cours de leurs croissance ces plantes utilisent le CO2 et par photosynthèse libèrent de l’oxygène et de la vapeur d’eau tout en stockant le carbone dans leurs constitutions.
C’est ce qui fait que leur combustion libère du dioxyde de carbone dans la nature. Ainsi utiliser les bagasses de canne à sucre comme renfort permet de capitaliser cette quantité stocker lors de la croissance de la plante tout en améliorant les caractéristiques thermiques du composite comme mentionné plus haut.
La fabrication de la pouzzolane, certes produit du dioxyde de carbone. Cependant ce dioxyde de carbone produit n’est que celui pris à l’environnement lors de la croissance de la plante donc ne conduit pas à la menace de ce dernier.
Problématique
Dans le contexte défini dans les paragraphes précédents, la valorisation des résidus agricoles comme la balle de riz et la bagasse de canne à sucre dans la formulation du mortier des éléments de remplissage se présente comme une alternative intéressante pour les problèmes d’ordres économique et environnemental. Cependant on ne peut en aucun cas substituer un matériau par
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 4 un autre sans une étude approfondie et suffisante du comportement du nouveau matériau. En effet, cette étude permettra aux spécialistes de savoir comment utiliser ce dernier matériau pour avoir des résultats équivalents ou proches de ceux du premier matériau, et de tirer bien profit des propriétés nouvelles que ce produit apporte par rapport au premier.
Nous ne prétendons aucunement être les premiers à faire des investigations sur ce matériau. Les chercheurs tel que William WILSON, Halleux Edouard, Zerbino et al et autres ont mené des recherches sur différents aspects de la solution. Cependant on est loin de connaître avec exactitude le taux de substitution optimal de ciment par la balle de riz, pour avoir de meilleures résistances mécaniques, l’effet de l’utilisation combinée des Cendres de Balle de Riz et des renforts de bagasses sur les caractéristiques physiques et mécaniques du composite. C’est pourquoi, dans la présente étude nous allons utiliser, les cendres de balle de riz, et la bagasse de canne à sucre comme renfort pour déterminer leurs effets sur les caractéristiques physiques et mécaniques des mortiers des éléments de remplissage.
Hypothèses
Le composite à matrice cimentaire améliorée, à fibre de bagasse de la canne à sucre répond aux prescriptions techniques des constructions de génie civil ;
Le composite à matrice cimentaire améliorée, à fibre de bagasse de la canne à sucre permet d’améliorer la résistance en traction ;
La pouzzolanne (CBR) est active et améliore les performances du composite.
Objectifs
Objectif général
L’objectif est de protéger l’environnement en réduisant l’utilisation du ciment qui sera remplacé par un pourcentage optimal de pouzzolane et en valorisant les déchets agricoles dans l’élaboration d’un composite.
Objectifs spécifiques
-
Elaborer une pouzzolane artificielle de balle de riz par la méthode thermique ;-
Caractériser les pouzzolanes ;-
Déterminer le taux optimal de substitution du sable par la BCS ;-
Déterminer les caractéristiques physiques du composite-
Déterminer les caractéristiques mécaniques du composite.Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 5 1 Généralité et revue de littérature
1.1 Généralité
Introduction aux matériaux composites
Un composite est un matériau hétérogène formé de plusieurs éléments non miscibles,
possédant des propriétés différentes de ces constituants pris séparément. Il est fabriqué à partir d’une ossature, ou renfort, assurant la tenue mécanique ainsi que d’une matrice assurant la cohésion du matériau et permettant de retransmettre les contraintes au renfort.
Les matériaux composites sont utilisés dans de nombreux domaines tels que l’industrie automobile, l’aérospatial ou encore la médecine, car ils sont constitués de l’assemblage de deux ou plusieurs matériaux de classes différentes, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composantes pris
séparément. Une des applications techniques les plus réussies dans le Génie Civil est le renforcement du béton par l’acier.
Le renforcement des ciments par des fibres cellulosiques donne un matériau composite qui peut remplacer l’amiante-ciment dans de nombreuses applications telles que les plaques de toiture, la tuyauterie, les revêtements des murs et d’autres applications.
Le choix du renfort reste cependant très important. Il doit avoir de bonnes propriétés
intrinsèques de résistance (module d’élasticité, géométrie etc.), qui doivent être compatibles avec la matrice cimentaire avec laquelle il va être associé et doit aussi avoir un coût
acceptable.
Les matrices peuvent être des matériaux bruts fondus tels que des métaux, des résines thermodurcissables ainsi que des matières thermoplastiques. D’autre part, les renforts peuvent être constitués de différents matériaux sous forme de poudre, fibres, granules et même sous forme de fibres tissées (longues). Les propriétés des matériaux composites résultent
Les propriétés des matériaux constituants ;
De leur distribution géométrique ;
De leurs interactions ;
La géométrie du renfort sera caractérisée par sa forme, sa taille, sa disposition (son
orientation), etc. La concentration du renfort est un paramètre déterminant des propriétés du matériau composite. Elle est habituellement mesurée par la fraction volumique (fraction en volume) ou par la fraction massique (fraction en masse).
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 6 Pour une concentration donnée, la distribution du renfort dans le volume du composite est également un paramètre important. Une distribution uniforme assurera une « homogénéité » du matériau : d’où un matériau isotrope. Dans le cas d’une distribution non uniforme du renfort, la rupture du matériau sera initiée dans les zones pauvres en renfort, diminuant ainsi la résistance du composite.
Dans le cas de matériaux composites dont le renfort est constitué de fibres, l’orientation des fibres détermine l’anisotropie du matériau composite. Cet aspect constitue une des
caractéristiques fondamentales des composites ; la possibilité de contrôler l'anisotropie du produit fini par une conception et une fabrication adaptées aux propriétés souhaitées.
Par exemple, le béton armé utilisé en construction est un composite de béton (la matrice) et d’acier (le renfort), ou encore les composites de fibres de verre et de résines époxy largement utilisés dans l’aéronautique. Les panneaux de bois comme le contreplaqué sont également des composites, les couches de bois jouant le rôle de renfort et la colle, celui de matrice.
Classification des composites
Il existe plusieurs classifications des composites et ce en fonction du paramètre considéré. Il s’agit par exemple de la classification suivant le type de matrice et
la forme des composants.
De manière générale, la plupart des composites peuvent être aujourd’hui classés en trois catégories(SAUGET 2014) :
- Composites à Matrice Organique (CMO) : ils sont constitués d’une résine polymère renforcée par des fibres de verre, de carbone ou encore d’aramide. Possédant des coûts de revient généralement assez bas pour permettre une production de masse, il s’agit des composites les plus courants, et qui vont être décrits par la suite.
- Composites à Matrice Céramique (CMC) : beaucoup plus coûteux, il s’agit d’une matrice de céramique renforcée de fibres courtes ou de filaments. Matrice et renforts sont tous deux constitués de matériaux tels que le carbure de silicium, le carbone ou l’alumine. Ils peuvent être employés à des températures très élevées.
- Composites à Matrice Métallique (CMM) : la matrice de ces matériaux est un métal léger tel que l’aluminium, le magnésium ou le titane. Le renfort est constitué de fibres ou de particules de type céramique comme le carbure de silicium. Ils sont également très coûteux.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 7 Ciment
Production du ciment
Le ciment est produit suite au concassage et au broyage de mélanges de matériaux bruts, cuits auparavant dans des fours rotatifs à des températures données. Lorsque l’on considère la production de ciment, on peut considérer deux filières : la voie humide et la voie sèche.
Durant la production par voie humide, le mélange alimente les fours rotatifs où les différentes phases de calcination ont lieu. Pendant la production par voie sèche, le séchage, le réchauffage et la décarbonatation de la pâte ont lieu à l’extérieur des fours rotatifs utilisant les gaz émergents. La poudre résultante est obtenue suite au passage dans les fours. Entre ces deux filières, il existe le procédé de production semi-humide dans lequel de l’eau est ajoutée à la poudre juste avant de l’introduire dans le four. La clinkérisation prend place au point le plus chaud atteint dans le four, c’est –à-dire à 1400-1450°C. (Lea F.M., 1998)
Pendant le procédé, l’oxyde de calcium (CaO, C) en provenance des matériaux calcareux, réagissent avec l’oxyde d’aluminium (Al2O3, A), la silice (SiO2, S) et l’oxyde ferrique (Fe2O3, F) présents dans les composés argileux. Les composés hydrauliques obtenus durant la réaction sont des silicates bicalciques (C2S), des silicates tricalciques (C3S), des aluminates tricalciques (C3S) et des alumino-ferrites tretracalciques (C4AF). Chacun de leur état minéralogique dépend de la température de calcination, du temps de cuisson et de la vitesse de refroidissement du procédé. Des ciments Portland composés peuvent être obtenus en ajoutant au mélange d’autres constituants (laitier de haut fourneau, pouzzolane naturelle, cendres volantes, fillers calcaires, etc.). (Lea F.M., 1970)
Après que le clinker soit éteint par l’air, il est broyé jusqu’à ce qu’on atteigne la finesse des particules souhaitée. Plus le ciment Portland est fin, plus vite il durcira, mais le temps de prise restera le même. Lors du broyage, certains additifs peuvent être inclus dans la composition (Par exemple, du laitier de haut fourneau, des entraineurs d’air, des pouzzolanes). Si le ciment n’est pas éteint, le C3S se décomposera et cela diminuera par la suite les performances du ciment.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 8 Le tableau suivant donne la composition du clinker
Tableau 1 :composition chimique du clinker
Composition chimique Composition minéralogique
Éléments CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 C3S C2S C3A C4AF
% 64.50 21.01 4.90 2.80 0.90 3.00 65.94 10.47 8.24 8.52 Éléments K2O Na2O RI PAF CaOl
% 0.90 0.20 0.20 1.10 0.45
La pouzzolane
Activité pouzzolanique
L’activité pouzzolanique c’est l’aptitude d’un matériau à fixer l’hydroxyde de calcium et à durcir sous l’eau à des températures ordinaires et en un temps raisonnable. Cette propriété se constate à des degrés variables pour des matériaux riches en silice libre, qu’ils soient d’origines naturelles (gaize, diatomites, cendres volcaniques…) ou artificielles (Cendres volantes, fumée de silice, argile calcinée…).
L’activité pouzzolanique se caractérise par deux aspects distincts :
-
La quantité totale d’hydroxyde de calcium qu’une pouzzolane est capable de fixer ;-
La rapidité de fixation de l’hydroxyde de calcium par la pouzzolane.Les différents matériaux pouzzolaniques décrits ci-dessus possèdent tous la propriété, selon la définition, de réagir avec l’hydroxyde de calcium, en présence d’humidité, pour former des composés possédant des propriétés liantes. L’influence de la silice et de l’alumine ne peut pas être négligée, la silice participe dans le mélange par la fixation de la chaux et l’alumine augmente la résistance mécanique du matériau à court terme.
Réaction pouzzolanique
La réaction pouzzolanique est une réaction chimique entre la portlandite (Ca(OH)2) produite lors de l’hydratation du ciment et la silice (SiO2) ou l’alumine (Al2O3) de la pouzzolane, ce qui permet de réduire la teneur en Ca(OH)2 et d’augmenter la résistance mécanique du mélange.
En même temps que l’on mélange le clinker Portland et la pouzzolane, une petite réaction immédiate se produit et libère les ions de calcium et d’aluminium dans la solution. Par la suite, la pouzzolane réagit avec les hydroxydes alcalins puis avec l’hydroxyde de calcium libéré par le clinker Portland pour former alors les C-S-H et C-A-H (D.Geryville 2010).
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 9 Mécanisme de la réaction pouzzolanique
Les mécanismes de la réaction pouzzolanique sont très divers car il existe plusieurs types de pouzzolanes avec des formes et des compositions différentes, mais d’une manière simplifiée cette réaction qui est une réaction chimique se déroule comme suite (D.Geryville 2010):
(C3S et C2S) +H2O CSH + CH (1ére réaction : rapide) Ciment anhydre + Eau Silicate de calcium hydraté + portlandite
CH + H2O + SiO2 CSH (II) (2eme réaction : lente)
Ciment hydraté + Eau + pouzzolane Silicate de calcium hydraté CH + H2O + Al2O3 CAH (II) (2eme réaction : lente) Ciment hydraté + Eau + pouzzolane aluminate de calcium hydraté
Le silicate de calcium hydraté (CSH) et l’aluminate de calcium hydraté (CAH) sont des produits insolubles possédant des propriétés liantes. Ils jouent un rôle dans l’augmentation de la résistance mécanique et l’imperméabilité des matériaux en remplissant les vides et les pores qui contiennent ce dernier, cela par la transformation de la portlandite (CH) en forme de gros cristaux en C-S-H et C-A-H cristallisé.
Facteurs influençant la réaction pouzzolanique
D’une manière générale, les paramètres influençant les réactions pouzzolaniques sont la nature des phases actives et leurs proportions (Shi C., 2001):
– la teneur en silice et en alumine, le pourcentage de ces derniers varie d’une pouzzolane à une autre, cette variation influe directement sur la réaction pouzzolanique ;
– le rapport chaux/pouzzolane dans le mélange, les quantités de chaux et de pouzzolane peuvent aussi être variées d’un mélange à un autre pour obtenir un rapport optimal qui donne de meilleur résultat ;
– la finesse de la pouzzolane : cela favorise leur effet physico-chimique tel que les tailles de grains plus fines ou des surfaces spécifiques plus élevées de ces pouzzolanes donnent une activité pouzzolanique plus élevée ;
– le rapport E/C du mélange : la quantité d’eau influe sur la réaction pouzzolanique, la présence d’une grande quantité d’eau interrompe cette réaction, la même chose se produit lors de manque d’eau dans le mélange ;
– la température de cure : celle-ci peut accélérer ou retarder la réaction pouzzolanique, une température très élevée ou très diminuée influe négativement sur cette réaction, cependant une température optimale l’améliore ;
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 10 – la durée de cure : les résultats obtenus varient dans le temps et la durée de cure influe sur la réaction pouzzolanique à court et long terme.
Evaluation de la pouzzolanicité des matériaux
Avant d’utiliser un matériau qu’on considère pouzzolanique, on doit d’abord étudier sa pouzzolanicité.
Tandis que la réaction pouzzolanique consomme de l’hydroxyde de calcium, les méthodes chimiques généralement utilisées pour évaluer l’activité pouzzolanique d’un matériau consistent à déterminer la quantité de chaux fixée par ce matériau après un certain temps, ou à déterminer le taux de silice ou d’alumines activés et solubilisées par un traitement approprié.
Un certain nombre de méthodes d'essais a été développé pour évaluer l'activité pouzzolanique ; ces méthodes sont soit directes soit indirectes. Les méthodes d'essai direct sont basées sur la consommation de Ca(OH)2 durant le processus de la réaction pouzzolanique, en utilisant les techniques de diffraction des rayons X (DRX) et de l’analyse thermogravimétrique (ATG), ainsi que le titrage chimique. Les essais chimiques englobent l’essai de Frattini, l’essai de chaux saturée et le test Chapelle. Les tests indirects impliquent la mesure des propriétés physiques et mécaniques liées à des réactions pouzzolaniques tels que la résistance à la compression, la conductivité électrique ou dégagement de chaleur par calorimétrie à conduction (Shi C., 2001).
Méthode d’activation pouzzolanique :
Certains matériaux pouzzolanique possèdent une réactivité pouzzolanique insuffisante et ont besoin d’être traités par différentes méthodes pour qu’il puisse présenter une activité pouzzolanique suffisante, et ils conduisent à améliorer les caractéristiques physiques et chimiques de ciment.
1.1.5.6.1 Activation mécanique :
L’activation mécanique consiste à augmenter la finesse (surface spécifique) des matériaux par broyage. Le broyage a pour but de réduire les éléments en une poudre suffisamment fine afin de rendre la matière plus réactive (plus la surface spécifique est élevée, plus la réactivité chimique est importante) (Sekulic, Petrov, and Zivanovic 2004).
La pulvérisation forte des grains permet de détruire la structure de la surface des minéraux en créant ainsi des valences électriques libres qui conduisent facilement aux réactions physicochimiques du matériau et donc à une activité pouzzolanique dans notre cas. Cela conduit à accélérer le temps de prise et améliorer la résistance mécanique à la compression.
Ce traitement possède de nombreux avantages, nous citons principalement(D.Geryville 2010):
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 11
− Un avantage fonctionnel qui concerne l’amélioration des propriétés mécaniques et la durabilité du matériau de ciment, ainsi que la diminution de la chaleur d’hydratation dégagée du ciment, ce qui diminue la fissuration d’origine thermique.
− Un avantage écologique qui concerne la diminution de l’émission de CO2 par l’industrie cimentière et économiques car le montant d’activation mécanique n’est pas élevé.
1.1.5.6.2 Activation thermique :
Il existe deux façons d’activation thermique, la calcination et la cure à haute température.
La calcination :
C’est la cuisson matériau à des températures élevées, cette calcination est utilisée généralement pour le traitement des argiles, des zéolithes et même pour les matériaux organiques (grignons d’olives…), afin d’obtenir un matériau qui possède une activité pouzzolanique.
La réaction pouzzolanique n’est observable que sur des matériaux qui comportent des phases minérales dans lesquelles la silice et l’alumine sont partiellement mobilisables. L’activité pouzzolanique des argiles calcinées ou amorphes et des cendres volantes essentiellement vitreuses est particulièrement liée à cette particularité. Seules la silice et l’alumine des phases vitreuses sont effectivement réactives (Semcha 2006).
Les matériaux volcaniques tels que les pouzzolanes ne nécessitent pas généralement de calcination car ces derniers sont produits par la fusion des roches à des hautes températures à l’intérieur du volcan ce qui forme le magma, qui est ensuite évacuer à l’extérieur après l’explosion du volcan, donc ces matériaux sont naturellement calcinés. Mais ces derniers peuvent nécessités un traitement pour améliorer sa pouzzolanicité.
La cure à hautes températures :
Cette technique consiste à augmenter la température de cure de séchage en utilisant pour cela une étuve ou une bâche en polyane ou en plastique.
Selon (Diop et al. 2008), Au-dessous de 40°C les résistances à la compression obtenues sont faibles car la réaction pouzzolanique s’est déroulée partiellement. Pour que celle-ci soit complète, il faut que la température de cure de séchage soit supérieure ou égale à 40 °C.
(Caijun S et Robert L Day 2001) ont constaté que la diminution de la température de durcissement de 50°C à 23°C a ralenti le débit de la réaction pouzzolanique au cours des 3 premiers jours, mais a entraîné une augmentation du taux de réaction après, cependant, la quantité de Ca(OH)2 consommée pendant 28 jours à 23°C était toujours inférieure à celle de 50°C.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 12 Une augmentation de la température de durcissement de 50°C à 65°C accélérait la vitesse de la réaction pouzzolanique au cours du premier jour, mais ralentissait la vitesse de réaction après celle-ci et entraînait un plus faible pourcentage de Ca(OH)2 consommé. Il semble que la réaction accélérée de la pouzzolane au cours des premiers stades à haute température retarde les réactions pouzzolaniques.
Donc l’élévation de la température conduit à une accélération des réactions chimiques ce qui donne un gain de résistance à la compression.
1.1.5.6.3 Activation chimique :
L’activation chimique est l’addition de substances chimiques sous forme de solutions liquides ou sous forme de poudre à un matériau riche en silice et/ou en alumine en vue de le rendre pouzzolanique. Ce traitement permet de détruire ou activer la structure des minéraux par des réactions chimiques entre ces derniers et l’activateur additionné (D.Geryville 2010).
D’après (Caijun S et Robert L.D 2001), les activateurs chimiques peuvent être ajoutés pendant le broyage de la pouzzolane naturelle ou pendant le mélange du béton contenant une pouzzolane, de sorte que l'exigence d'équipement supplémentaire est minimale contrairement à l’activation mécanique et thermique qui nécessite plus d’équipements et d’énergie.
Bien que l'ajout d'activateur (s) chimique (s) augmente les coûts totaux du matériau, l'activation chimique est la méthode la plus efficace et la plus réalisable pour l'activation des pouzzolanes naturelles.
Activation par les alcalins
C’est en utilisant des matériaux à pH élevé comme la soude (NaOH) où la potasse (KOH). Ces solutions hautement alcalines sont utilisées pour dissoudre les ions de silicium et d'aluminium dans les matériaux de source et former la pâte de géopolymère avec trois étapes dans le processus comprenant : la dissolution de tout composé pouzzolanique, l'orientation partielle des précurseurs mobiles et la ré-précipitation des particules de la phase solide initiale.
(Martinez-Ramirez et Palomo 2001) ont défini l'activation alcaline comme un processus chimique où la structure amorphe est transformée en une structure squelettique qui présente des propriétés cimentaires.
Un gel polymérique à composition variable est formé dans les milieux de forte alcalinité. Le gel est produit lorsque la solution d'alcalinité élevée réagit avec les matériaux de départ. Le comportement principal des produits formés dans ces conditions est d'avoir des propriétés mécaniques à la première période d'hydratation.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 13 Selon (Palomo et ces collègues 1999), quand le métakaolin est activé dans des milieux de haute alcalinité en présence de Ca(OH)2, il induit de l'aluminosilicate de sodium qui a une structure morphique avec des caractéristiques similaires au gel géopolymérique.
Le produit formé est similaire au produit obtenu une fois que le métakaolin est activé en l'absence de Ca(OH)2 et il s'est avéré qu’un produit secondaire qui est également connu sous le nom de C-S-H est formé. Soumettre le métakaolin à l'activation alcaline est un moyen de produire des matériaux cimentaires à haute résistance.
Activation par les sulfates
Elle se réalise en utilisant des matériaux riches en acide sulfurique donc riches en soufre, tel que la sulfate de calcium (gypse CaSO4·2H2O) et le sulfate de sodium (Na2SO4). Dans l’activation sulfatique, le sulfate de calcium agit comme un véritable réactif puisqu’il se combine avec les éléments de la pouzzolane solubilisé par l’eau et donne naissance au tri- sulfoaluminate de calcium.
L’ettringite (un composé de sulfate de calcium et d'aluminium hydraté) ne mobilise qu’une partie seulement de l’alumine : il se forme également de l’hydroxyde d’aluminium et du silicate de calcium hydraté.
L’introduction d’un activateur sulfatique accélère la réduction de Ca(OH)2 dans le système cimentaire des cendres volants au début de l’étape d’hydratation (Shi and Day 1995).
(Shi and Day 1993) ont utilisé diverses doses de CaSO4 comme activateur pour étudier son effet sur le développement de la résistance des pâtes de ciment de chaux-pouzzolane. Ils ont constaté que la résistance mécanique était la plus élevée avec l'ajout de 6% de CaSO4.
Bien qu'à des âges ultérieurs d'hydratation, la résistance des pâtes augmente avec une addition de 6% de CaSO4, cependant, son effet est plus faible que les pâtes activées avec l'addition de 4% de CaCl2.
L'ettringite formée au début de l'hydratation dans les pâtes de cendres volantes et de ciment est augmentée avec l'ajout de Na2SO4 et de K2SO4 puisque les ions SO42- vont réagir avec l'aluminate tricalcique, C3A. Après 7 jours d'hydratation, l'ettringite est principalement formée et convertie plus tard en monosulfates, en C4AH13 et en C2ASH8.
Cela montre que la production d'ettringite est influencée par l'ajout de Na2SO4 et de K2SO4, ce qui contribue au développement précoce de la résistance des mortiers composés de cendres volantes et de ciment. D'après les diagrammes DRX, il a été observé qu'un petit pic d'ettringite a été observé quand aucun activateur n'a été ajouté aux pâtes de cendres volantes.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 14 Pour les pâtes de cendres volantes en présence d'activateurs chimiques, un pic a été observé au début de l'hydratation (jusqu'à 7 jours) résultant de la formation d'ettringites. Ces produits d'hydratation ont été créés par la réaction entre les ions SO32- qui proviennent des activateurs et des aluminates.
Activation par les sels minéraux
Ces matériaux ont un effet sur la réaction pouzzolanique, parmi les sels généralement utilisés, on distingue le chlorure de sodium (NaCl) et le chlorure de calcium(CaCl2).
Le pourcentage de Ca(OH)2 ayant réagi à la présence de cet activateur augmente avec le temps.
Ils ont donc montré un effet d'accélération très significatif jusqu’au point où le Ca(OH)2 serrai totalement consommé après plusieurs jours d'hydratation (Caijun and Robert 2001).
(Shi et Day 1993) ont étudié le développement de la résistance des pâtes de ciment contenant certaines quantités de NaCl. Ils ont constaté que lorsque du NaCl a été ajouté au système, il ne contribuait pas au développement de la résistance des pâtes avec une addition allant jusqu'à 5%
et à 180 jours d'hydratation.
(Shi C et Day 1995) ont également étudié l'influence de l'addition de NaCl de 0 à 5% sur le développement de la résistance des pâtes (de gypse et de chaux). Ils ont également constaté que l'ajout d'un activateur de NaCl avait un effet insignifiant sur le développement de la résistance des pâtes. Une observation similaire a été obtenue lorsque des pâtes constituées de mélanges de pouzzolanes et de chaux naturelle ont été testées par les mêmes chercheurs (Shi et Day 1993).
Selon (Abdullah et al. 2012), Lorsque la solution de CaCl2 a été ajoutée dans le mélange chaux- pouzzolane, le Ca(OH)2 résultant se dissout et réduit l'alcalinité de la solution. Une réduction de l'environnement alcalin montre l'effet négatif lorsque le processus de dissolution de la pouzzolane a tendance à être retardé.
L'addition de CaCl2 conduit à une plus grande teneur en Ca2+ mais la quantité d'espèces de monosilicate et d'aluminium dissoutes est beaucoup plus faible dans la solution de pâtes activées que dans la pâte témoin. Cela entraîne la formation de C3A · CaCl2 · 10H2O (Sel de Friedel) très rapidement, ce qui rend notre matériau sensible aux attaques chimique externe.
Effet du dosage d’activateur sur l’activité pouzzolanique
Des recherches ont été effectués (Bondara et al. 2011) montrent que le pourcentage optimal en activateur diffère selon le type de silicate d'alumine utilisé qui défère d’un matériau à un autre et le type de solution d'activation, la diminution où l’augmentation excessive de ce pourcentage présente un effet négatif sur la réaction pouzzolanique.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 15 Selon (Caijun and Robert. 1995) l’activateur chimique peut jouer le rôle d’accélérateur ou de retardateur de durcissement du ciment composé, ce qui est lié à son pouvoir d’activation pouzzolanique de matériau composant le ciment. Ceci dépend de la composition chimique de matériau pouzzolanique et de la nature et le pourcentage de l’activateur utilisé.
L’addition de petite quantité de Na2SO4 et CaCl2 peut améliorer la réactivité pouzzolanique des cendres volantes en augmentant la résistance mécanique.
Ces activateurs ont une influence prédominante sur la résistance au jeune âge, mais à long terme leur influence change selon leurs pourcentages et la nature des cendres volantes utilisées. En générale, la résistance mécanique augmente avec l’augmentation de la quantité de l’activateur ajouté dans le mélange (Caijun and Robert. 1995).
Les analyses par diffraction des rayons X (DRX) ont montré que l’addition de Na2SO4 forme d’avantage l’ettringite (un composé de sulfate de calcium et d'aluminium hydraté), par contre CaCl2conduit à la formation d’une solution solide de chloro-aluminate calcique hydraté (Caijun and Robert. 1995).
D’autre part, des recherches(Wang, Scrivener, and Pratt 1994) montrent qu’avec des concentrations d'activateur plus faibles (c'est-à-dire inférieures à 5 M KOH), il y a une dissolution significativement plus faible de la pouzzolane naturelle, ce qui donne un polymère ayant une force de liaison inférieure donc la réaction pouzzolanique n’est pas complète.
Cependant, la viscosité plus élevée de la solution d'hydroxyde alcalin à une concentration supérieure à 7,5 M signifie que les pâtes géo-polymères résultantes nécessitent un temps plus long et/ou une température plus élevée pour que l'excès d'eau s'évapore du système avant de former un géo-polymère monolithique.
Le résultat de recherche de (Xu H, Van Deventer JSJ., 2003) montrent qu’il y’a un rapport entre la concentration d’activateur et la température de cure pour une activation parfaite de la pouzzolane, tel que l’augmentation de dosage et de température de cure permet d’accéléré la réaction et assure sa continuation à long terme au lieu de s’arrêter après quelques jours (Abdullah et al. 2012).
Canne à sucre
Originaire de la Nouvelle Guinée, la canne à sucre produit du saccharose et de nombreux produits utilisés dans les secteurs du cosmétique et de la pharmaceutique (Rondeau, 2002 ; Uppal et al, 2008).
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 16 La production mondiale de la bagasse de canne à sucre est comprise entre 833millions et 1167 millions de tonnes, d’après les estimations de la (Fao Statistiques Agricoles - Recherche Google n.d.) sur la production de la bagasse.
(O. S. Ekpélikpézé et al. 2016) Ont effectué des enquêtes et ont noté que Huit communes (Lokossa, Athiémé, Bopa, Houéyogbé, Grand-popo, Comé, Sèmè-podji et Copargo) se sont révélés être des bassins de production cannière au Bénin avec la commune de Sèmè-Podji comme la principale zone de production. L’enquête menée dans 52 villages choisis à travers les communes productrices a révélé que les producteurs cultivent plusieurs plantes autant pour l’autoconsommation que pour la vente et que la canne à sucre reste la principale culture et source de revenus pour la majorité (79,2%) des producteurs enquêtés. Les autres cultures sont pratiquées en association avec la canne à sucre et interviennent dans une faible proportion dans le revenu des producteurs. Le prix de vente d’une tige de canne varie 50 à 150 FCFA avec une moyenne de 100 FCFA. Cette variation tient compte non seulement de la grosseur de la tige (76,5% de réponses) et de sa taille (24,5% de réponses) mais aussi de l’enclavement du village prospecté. En général, pour une parcelle de 1 ha la vente de canne à sucre génère par an un revenu minimum de 3.840.000 FCFA et un revenu maximum de11.520.000 FCFA aux producteurs avec un revenu moyen de 7.680.000 FCFA. Dans la zone d’étude plusieurs marchés de vente s’offrent aux producteurs de canne sucre. Par exemple, dans le département de l’Ouémé on peut citer les carrefours de Djèrègbé à Djeffa dans la commune de Sèmè-podji, le marché de Déguè-gare, de Ouando et de Dondo dans la commune Porto-Novo. Dans la zone d’étude, en dehors de sa consommation et de sa vente un certain nombre de producteurs (47,6%
de réponses) utilisent la canne à sucre dans le traitement de nombreuses maladies. Dans la commune de Sèmè - Podji ou on a enregistré les plus fortes valeurs, la production de canne à sucre a cependant évoluée en dents de scies avec les années 2010 et 2011 présentant le maximum de tonnage (90774 tonnes) et les années 2012 à 2014 avec des tonnages plus faibles.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 17 La figure suivante montre l’évolution de la production de la canne à sucre entre 1995 et 2014 au Bénin.
Après utilisation, la canne à sucre génère une quantité importante de déchets :la bagasse de canne à sucre.
Bagasse
La production mondiale de bagasse se situe entre 250 et 350 millions de tonnes par an. Environ 60 % de cette production est utilisée comme combustible dans les sucreries(Fao Statistiques Agricoles - Recherche Google n.d.), pour chauffer les fours et pour la production d'électricité (production de vapeur par combustion dans une chaudière reliée à un turbo-alternateur), servant à l'alimentation énergétique de l'unité de transformation, qui fonctionne pratiquement en autosuffisance énergétique.
En dehors des sucreries, la bagasse peut-être aussi brûlée dans des centrales à bagasse pour la production de chaleur et d’électricité. L'excédent de bagasse non utilisée comme combustible peut servir à la fabrication de papier, des panneaux de particules, de la litière pour les animaux, servir de nourriture pour le bétail, être valorisé comme base de compost, etc.
Comme combustible, la bagasse est généralement entreposée pour être séchée, la décomposition du sucre résiduel entrainant une réaction exothermique qui aide à son séchage.
Pour la production de papier, la bagasse est conservée humide, afin de faciliter les opérations suivantes : les résidus de sucre et la moelle de surface qui enrobe la tige de canne doivent en
Figure 1: évolution de la production de la canne à sucre entre 1995 et 2014 au Bénin
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 18 effet être retirés avant la transformation en papier (Fao Statistiques Agricoles - Recherche Google n.d.).
Comme aliment pour le bétail, la bagasse est souvent trempée de mélasse, un autre sous-produit de la fabrication du sucre. Elle est généralement réservée au bétail adulte, alors que sa digestion par de jeunes veaux peut être énergétiquement peu rentable(Fao Statistiques Agricoles - Recherche Google n.d.). Divers traitements ont été tentés pour améliorer la digestibilité de la bagasse par le bétail, par exemple en la broyant ou en la trempant dans un bain de soude à 2 % afin de dissoudre la lignine et rendre la cellulose plus accessible aux enzymes digestifs (Fao Statistiques Agricoles - Recherche Google n.d.).
Les caractéristiques chimiques des cendres de bagasse rapportées dans la littérature sont inscrites dans le tableau suivant. Les concentrations sont exprimées en mg/kg
Tableau 2 : caractéristiques chimiques des cendres de bagasse
Paramètre Thailande
(Rachakornkij M et al., 2004)
Ile de la Réunion (CIRAD 2005) pH
CE Al As B Ca Cd
Cr Cu Fe Hg K Mg Mn Mo N Na
- - 3562
- - 51 800
- - 80 5740
- 10 950 10 440 770
- - 6600
9.5 - - - - 35 000
- 152 66.3 64 400
- 19 900 17 400
1.7 - 2250 3710
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 19 Ni
P Pb
S Se Zn
- 4850
- 440
- -
84.4 720
- 2150
- 229
(Cameron et al., 1997) Les distilleries et la sucrerie (usine) après traitement de la canne à sucre, disposent de quantités importantes de bagasse, dont une partie est directement brûlée en chaudière pour produire l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'unité. La bagasse excédentaire est brûlée sur place, ce qui représente une perte d'énergie importante.
Une Tonne de canne correspond à 0,3 T. de bagasse dont les 2/3 sont utilisés comme combustible d'usine (Cameron et al., 1997).
La combustion de cette bagasse, dans de bonnes conditions, produit une cendre qui suscite l’intérêt des acteurs de la vie industrielle.
En effet, les particules de cendres sont généralement présentées comme étant constituées en majorité de particules sphériques avec une composition chimique qui peut être réduite à trois constituants majeurs (silice, alumine, oxyde ferrique) dans trois phases cristallisées (mullite, quartz et magnétite) et une phase amorphe.
La cendre représente également une source de micropolluants organiques (Cameron et al., 1997) qui sont capables de se mobiliser dans le sol et éventuellement se retrouver dans la nappe phréatique.
Balle de riz
La balle de riz est la partie externe recouvrant le grain de riz. Il est constitué de deux moitiés qui se replient autour du riz. Puisque cette écorce n’est pas comestible, elle doit être enlevée du grain. Cette phase peut soit être réalisée mécaniquement, soit manuellement.
Habituellement, quand les moyens le permettent, une décortiqueuse est utilisée pour cette tâche.
Il va donc sans dire que sa disponibilité est fonction de la production de riz.
D’après les estimations de la FAO, la production mondiale de riz a augmenté de 2,6 % en 2011 pour atteindre 468 millions de tonnes.
Le tableau suivant montre la production mondiale de riz en 2013.
Réalisé par DATCHOSSA Tiambo Abbas 20
Tableau 3 : production mondiale de riz
Surface cultivée
(Mha)
Rendement (tonne/ha)
Production (Mt)
Production (%)
Chine 29,88 6,58 196,68 28,7
Inde 41,85 3,19 133,7 19,51
Indonésie 12,88 4,99 64,4 9,4
Bangladesh 11,35 4,2 47,72 6,96
Viêt Nam 7,44 5,23 38,9 5,68
Birmanie 8 4,09 32,68 4,77
Thaïlande 10,96 2,87 31,46 4,59
Philippines 4,53 3,59 16,27 2,37
Brésil 2,87 4,4 12,65 1,85
Japon 1,62 6,52 10,59 1,55
Pakistan 2,88 3,58 10,32 1,51
États-Unis 1,26 7,94 9,97 1,46
Cambodge 2,68 2,84 7,59 1,11
Égypte 0,75 10 7,5 1,09
Corée du
Sud 0,92 2,93 7,02 1,02
Madagascar 1,54 2,94 4,54 0,66
(Food and Agriculture Organization, 2013)
Dans le tableau (Food and Agriculture Organization, 2013), nous pouvons voir la production de paddy cultivés dans les principaux pays producteurs de riz. Pour ces pays, il semblerait intéressant d’utiliser la balle de riz en vue de produire un matériau pouzzolanique à intégrer dans la chaux ou le ciment. Cependant les autres pays ne sont pas écartés de l’utilisation de la balle de riz pour faire une pouzzolane car même à faible taux de production, la balle de riz reste un déchet qu’il faut valoriser.
En ce qui concerne le Bénin, sa production en riz atteint 162 200 tonnes en 2010 contre 26 891 tonnes en 1997.
