Mélange argileux/co-produits

Les matériaux argileux sont fabriqués à base de matière argileuse, des additifs et de l’eau. La matière argileuse se compose des minéraux argileux et du dégraissant qu’il s’agit souvent du sable. Afin d’obtenir des matériaux argileux de différentes propriétés mécaniques, thermiques et physico-chimiques, l’ajout d’un co-produit au sein de la matière argileuse est souvent envisageable. Dans cette section nous définissons les termes : argile, minéraux argileux, dégraissant et les différents types de co-produits utilisés dans la littérature pour la fabrication des produits de terre cuite.

Matière argileuse

Argile

En sédimentologie, le terme argile représente la catégorie des particules de taille inférieure à 2 µm [308, 63, 215]. La roche d’argile se constitue des substances minérales et organiques sous forme de particules de très petite taille : la silice, l’alumine, les sulfures, l’hydroxyde de fer et la matière organique. Ainsi, l’argile est définie comme un matériau naturel composé essentiellement de minéraux finement divisés, plastique après l’hydratation avec une quantité d’eau appropriée, et qui durcit au séchage ou à la cuisson. Dans les particules d’argile, on distingue deux corps minéraux : la silice tétraédrique (SiO4) et l’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3), qui constituent les deux couches de base à partir desquelles sont construites toutes les argiles [256]. L’argile présente une structure en feuillets d’aluminosilicates hydratés (phyllosilicates) qui est caractérisée par la superposition des deux couches (fig. 1.2.1) : — Couche tétraédrique, désignée T : tétraèdres d’atomes d’oxygène autour d’un atome central de silicium Si — Couche octaédrique, désignée O : octaèdres d’ion hydroxyles OH− avec au centre un ion d’aluminium Al3+ Ces deux couches sont souvent associées en deux sous formes de (O, T) ou en trois sous formes de (T, O, T) pouvant être désignées comme suit : — Les feuillets 1/1 : liaison d’une couche tétraédrique avec une octaédrique (O,T) — Les feuillets 2/1 : liaison de trois couches sous forme d’une couche octaédrique entourée par deux couches tétraédriques (T, O, T) Lorsque le cation principal Al3+ dans la couche T est remplacé par des Mg2+ ou Fe2+ ou dans le cas où le Si4+ est remplacé par Al3+, les couches perdent leur neutralité électrique. Ces substitutions engendrent un manque de cations. Des cations (K+, Na+, Ca2+. . . ) vont venir alors s’installer entre les couches et les feuillets afin de compenser ce manque et conserver la neutralité électrique [63]. L’espace entre les couches et les feuillets s’appelle l’espace interfoliaire ou interlamellaire. Lorsque la charge électrique dans les feuillets est neutre, l’espace interfoliaire est vide. En revanche, certaines argiles demandent la présence de cations alcalins ou alcalino-terreux afin de compenser la charge électrique. Dans ce cas, l’espace interfoliaire est occupé par H2O vu que les molécules d’eau sont attirées par les cations. On parle alors de la capacité d’échange cationique de l’argile qui est un paramètre intrinsèque. Suivant l’organisation et l’arrangement de ces deux couches, différents types des minéraux argileux se forment. Nous distinguons les quatre principales familles : — Kaolinite Cette famille de minéraux argileux est caractérisée par sa structure simple. Deux couches (O, T) de type feuillet 1/1 sont superposées (fig. 1.2.2 a)). Son espace interfoliaire est constant et il est de l’ordre de 7,2 Å. La kaolinite est de charge électrique neutre, ce qui signifie qu’il n’y pas d’échange cationique. Sa composition chimique est 2SiO2Al2O32H2O. Elle est caractérisée par un faible retrait au cours du séchage et de la cuisson et par un faible gonflement qui la permet d’être le minéral argileux le plus employé dans l’industrie des produits de terre cuite. — Illite C’est un feuillet de trois couches (T, O, T) de type 2/1. Son épaisseur interfoliaire est de l’ordre de 10 Å. Il est caractérisé par sa charge négative importante dans les couches. La liaison entre les feuillets est assurée par les ions K+. Leur rôle est d’empêcher l’eau de venir s’installer dans l’espace interfoliaire (fig. 1.2.2 b)). La liaison entre les ions est forte. La formule chimique de l’illite est : KAl2(OH)2AlSi3(O,OH)10. L’illite comme la kaolinite présente un gonflement à l’eau très faible, ce qui les rend les deux minéraux argileux les plus utilisés dans l’industrie des produits de terre cuite.

Dégraissants

Les éléments dégraissants sont des minéraux qui se trouvent associés aux minéraux argileux . Comme décrit précédemment, les minéraux argileux présentent souvent, un gonflement à l’eau (comme la smectite). Ce gonflement a des conséquences pendant le séchage et la cuisson. Il génère un retrait important et donc souvent des défauts microstructuraux. Le principal rôle du dégraissant est donc d’ajuster la plasticité de la matière argileuse. Les dégraissants se présentent sous forme des grains relativement gros (≥10 µm). Ce sont des éléments inertes qui favorisent l’évaporation de l’eau et les dégagements gazeux pendant le séchage et la cuisson. Ainsi, ils forment un squelette rigide interconnecté qui ajuste la plasticité à la matière argileuse. Les dégraissants les plus communément employés sont le sable, le calcaire, les feldspaths et des refus de céramique broyés. Le tableau 1.1 regroupe les types des minéraux argileux qui ont l’effet dégraissant. Ainsi les types d’éléments dégraissants les plus utilisés dans la fabrication de produits de terre cuite. Les comportements de chaque minéral argileux au cours de la mise en forme, du séchage et de la cuisson sont présentés.L’ajout de ces éléments dégraissants a un effet bénéfique sur le comportement de la matière argileuse durant les étapes de fabrication. Cependant, le contrôle de la quantité d’ajout des dégraissants est indispensable. L’ajout de plus de 30%.m de dégraissant permet de diminuer l’humidité de la mise en forme et de réduire le retrait pendant le séchage. Mais, il affaiblit la plasticité de la pâte argileuse et cela peut affecter la résistance mécanique du matériau final. Les minéraux argileux et le dégraissant forment ensemble la matière argileuse. Cette matière argileuse est la matière première du produit de terre cuite. Il s’agit d’une association complexe des minéraux présentant une composition chimique et minéralogique diverse, ainsi que des morphologies des particules permettant d’obtenir un matériau argileux qui répond aux caractéristiques souhaitées. Selon le gisement, les compositions chimiques et minéralogiques de la matière argileuse changent. Ici, nous rapportons la composition chimique de la matière argileuse la plus commune selon la littérature. 

Composition chimique de la matière argileuse

La majorité des travaux scientifiques ont montré une composition chimique de la matière argileuse assez similaire. En effet, les composants principaux d’une matière argileuse sont : silice (SiO2), alumine (Al2O3), oxyde de fer (Fe2O3) et oxyde de calcium (CaO). La matière argileuse contient typiquement des pourcentages massiques de dioxyde de silicium (SiO2) entre 50%.m et 60%.m. La teneur en SiO2 augmente la porosité, mais aussi le risque de fissuration pendant l’étape du refroidissement en particuliers lors de la transformation allotropique du quartz (β → α) à 573 °C [269, 131]. Le deuxième composant, le plus commun est Al2O3 qui contribue à l’augmentation de la résistance mécanique à haute température (formation de mullite (Si3Al6O13)). Sa teneur varie généralement entre 10%.m et 20%.m. Pour le cas de fabrication des briques réfractaires, il est possible de trouver des teneurs en Al2O3 atteignant plus que 40%.m [213]. L’oxyde de fer (Fe2O3) présente un pourcentage massique de 10%.m. Une teneur en Fe2O3 supérieure à 10%.m peut entrainer des problèmes d’efflorescence lorsque la matière argileuse est homogénéisée pendant une longue période ou en cas de faible quantité d’oxygène lors de la cuisson. Cela peut conduire à l’apparition du «cœur noir» au sein du matériau argileux cuit. Pour cette raison, la teneur en oxydes de fer ne doit pas dépasser généralement 10%.m. Bien que certaines références présentent des pourcentages allant jusqu’à 35%.m, par exemple lorsque la matière argileuse est entièrement remplacée par des résidus de boue rouge tels que ceux fournis par l’industrie de l’aluminium [165] ou l’industrie sidérurgique [275]. Enfin l’oxyde de calcium (CaO) qui présente dans la matière argileuse des pourcentages variés de 2%.m jusqu’à 14%.m. Généralement, pour moins de 8%.m de CaO la matière argileuse est considérée comme non calcaire [213]. Au cours de la cuisson, le CaCO3 se décompose en produisant du CO2 et du CaO. Le CO2 est transmis lorsque le gaz est expulsé et CaO peut se combiner avec SiO2. Cette combinaison donne la formation de wollastonite (CaSiO3) et augmente la résistance mécanique. Cependant, si le CaO libre ne s’associe pas à d’autres éléments, il peut produire une dilatation dans le matériau argileux par absorption d’humidité et crée des fissures et des défauts microstructuraux.

Composition minéralogique de la matière argileuse et son évolution pendant un traitement thermique

La composition minéralogique est ainsi très importante pour comprendre le comportement de la matière argileuse au cours de la fabrication du produit de terre cuite. Bien que la composition chimique de la matière argileuse soit habituellement signalée, sa composition minéralogique est souvent manquée dans la littérature. Cela revient au fait que la composition minéralogique varie beaucoup et ce n’est pas évident d’avoir une bonne comparaison entre les différentes matières argileuses. Peu d’auteurs ont discuté la composition minéralogique de la matière argileuse. Généralement, la composition minéralogique présentée dans la littérature a montré la présence majoritaire de : quartz, illite, montmorillonite, smectite, kaolinite et des amorphes. Les travaux de García-Ten et al.et Gualtieri et al. ont montré que la composition minéralogique influence fortement les propriétés finales des produits de terre cuite.

Co-produits

Dans cette section, une classification générale des différents types de co-produits utilisés au sein de la matrice argileuse est présentée. Ensuite, une classification de ces co-produits selon leurs rôles au cours des étapes de fabrication de produits de terre cuite est proposée. L’ajout des co-produits dans la matrice argileuse a été largement discuté dans la littérature au cours de la dernière décennie. La figure 1.2.6 présente l’évolution du nombre de publications scientifiques entre 1992 et 2017 (Source Web of Science). Dans la littérature différentes classifications de déchets ont été réalisées. Une liste de 20 déchets a été rapportée selon la décision de la commission européenne 2000/532/CE . Un catalogue de déchets utilisés à l’échelle européenne est disponible ; Eureopean Waste Catalogue (EWC) noté de EWC 01 jusqu’à EWC 20. L’industrie de la fabrication des produits de terre cuite utilise souvent un ou plusieurs EWC [79]. Les EWC peuvent se regrouper en deux catégories : — Co-produits riches en matières inorganiques : regroupe les EWC 01 et les EWC 10. Les EWC 01 sont des déchets inorganiques provenant de l’exploration des mines ou d’autres traitements chimiques des minéraux. Les déchets EWC 10, eux sont des co-produits provenant des procédés thermiques (centrales électriques, installations de combustion. . . ). D’autres types comme les cendres volantes issus de la combustion de biomasse et des boues métalliques sont aussi incluses dans les EWC 10. — Co-produits riches en matières organiques : les EWC 19, EWC 02 et EWC 03 sont les plus utilisés dans cette catégorie. Le déchet EWC 19 regroupe les coproduits provenant des installations de traitement des eaux usées et de l’eau à usage industriel. Les boues d’épuration font partie de cette catégorie. Les EWC 02 et les EWC 03 représentent les déchets agricoles et les déchets de papeterie ou du bois.