Composition de Jury En cours

République de Côte d’Ivoire ------------------

UFR ENVIRONNEMENT

Union-Discipline-Travail ---------------

UNIVERSITE JEAN LOROUGNON GUEDE

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

MEMOIRE Année Universitaire

présenté pour l’obtention du :

2016/2017

MASTER Spécialité : Géologie Appliquée Option : Géomatériaux et Géotechniques

Numéro d’ordre ……../2017

THEME : PHYSICO-CHIMIE D’UN GEOPOLYMERE ISSU DE L’ACTIVATION ALCALINE D’UN MELANGE DE DECHETS

N°CE :CI041200143

VERRE ET D’UNE ARGILE DE COTE D’IVOIRE : CAS DE

Nom : KPAN

l’ARGILE DE YAOU

Prénoms :G MARIUS

Composition de Jury : Soutenu publiquement

M.

le ..................................

M. DONGUI Bini

Professeur Titulaire

Université Jean Lorougnon Guédé

Directeur

M. KOUASSI Séka Simplice

Maître-Assistant

Université Jean Lorougnon Guédé

Encadreur

Président

M.

Rapporteur

M.

Membre

DEDICACE Je dédie ce mémoire A Mon cher Père feu TOGBE Kpan Gaston A Ma chère Mère GUIEMI Zehe Juliette A mon grand frère KPAN Déa Hervé A mon oncle SOAMY Togbé Antoine A mon oncle GUIEMI Kpan Denis A mon oncle SOAMY Doh Paul A mon oncle GBAHA Prosper A ma sœur Emilie KPAN A tous mes parents des grandes familles TOGBE et GUIEMY A tous mes amis et condisciples de la Géologie Appliquée, ce travail est le vôtre.

i

REMERCIEMENTS Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire de Chimie de l’Université Jean Lorougnon Guédé Daloa. Il s’inscrit dans le cadre de notre mémoire de fin de cycle de Master en Géologie Appliquée Option Géomatériaux et Géotechniques. Ce présent mémoire vient couronner nos formations en sciences de la terre et des matériaux de construction. Qui est une filière de l’UFR Environnement. Cette filière a pour vocation l’étude des matériaux et du sol support des bâtis. Je remercie les autorités de l’Université Jean LOROUGNON GUEDE avec à sa tête le Professeur Tidou Abiba SANOGO, présidente de l’Université, pour les moyens mis à notre disposition pour notre formation. Je tiens à exprimer au Monsieur DONGUI Bini, Professeur Titulaire, Directeur scientifique dudit mémoire ma profonde reconnaissance. Votre implication, disponibilité dans ce travail ont été déterminant dans l’aboutissement de ce mémoire. Que Dieu vous bénisse. J’exprime ma profonde gratitude à Dr KOUASSI Séka Simplice, Maître-Assistant, encadreur de cette recherche, pour son entière disponibilité. Il n’a ménagé ni son temps ni ses conseils avisés pour permettre le déroulement et l’aboutissement de ce travail. Je tiens à la remercier de tout mon cœur pour la correction de ce mémoire et son soutien.

J’adresse mes remerciements au Dr GOURE DOUBI Bi Irié Hervé, Maître-Assistant à l’université Péléforo Gon Coulibaly de Korhogo pour avoir accepté de faire des mesures pour le compte de ce mémoire à l’Ecole Normale Supérieure de Céramique Industrielle (ENSCI) de Limoges en France. Que Dieu vous bénisse. Je remercie également, les Docteurs BIE GOHA René, NIANGORAN, KOFFI Chantal, KEDI A. Brice, CISSE M’BOUILLE et DIARRA Moussa pour leur conseil et leur assistance au cours de la réalisation de ce mémoire. A mes camarades de promotion, j’adresse mes remerciements pour le climat chaleureux que nous avons entretenu durant l’année académique. Merci à tous ceux et toutes celles qui m’ont permis d’arriver au bout de ce mémoire, qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude.

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TABLE DES MATIERES DEDICACE ................................................................................................................. I REMERCIEMENTS................................................................................................. II TABLE DES MATIERES .......................................................................................III LISTE DES FIGURES ............................................................................................. V LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................ VI INTRODUCTION ...................................................................................................... 1 PREMIERE PARTIE: GENERALITES ................................................................. 3 1.1

Généralité sur l’argile .................................................................................... 3

1.1.1 Définition de l’argile ............................................................................................ 3 1.1.2 Formation des argiles ........................................................................................... 3 1.1.3 Les gisements argileux de la Cote d’Ivoire .......................................................... 4 1.1.4 Structure chimique des argiles ............................................................................. 5 1.1.4.1 Argiles phylliteuses ...................................................................................... 5 1.1.4.2 Minéraux fibreux.......................................................................................... 7 1.1.4.3 Argiles inter stratifiés ................................................................................... 8 1.1.5 Usage actuelle de l’argile en Afrique ................................................................... 8 1.1.6 Le métakaolin....................................................................................................... 8

1.2

Généralités sur les verres .............................................................................. 9

1.2.1 Définition ............................................................................................................. 9 1.2.2 Composition du verre ......................................................................................... 10 1.2.3 Réactivité du verre en solution ........................................................................... 11 1.2.3.1 Réactivité en milieu basique ...................................................................... 11 1.2.3.2 Réactivité en milieu acide .......................................................................... 12 1.2.3.3 Réactivité en milieu neutre......................................................................... 12 1.2.4 Recyclage du verre, un enjeu environnemental pour la Cote d’Ivoire ............... 12

1.3

Généralité sur les géopolymères ................................................................. 13

1.3.1 Définition ........................................................................................................... 13 1.3.2 Mécanisme de formation .................................................................................... 14 1.3.3 Etude de la durabilité des systèmes géopolymères ............................................ 16

DEUXIEME PARTIE: MATERIELS ET METHODES .................................. 18 2.1

Présentation des matières premières ........................................................... 19

2.1.1 L’argile ............................................................................................................... 19 2.1.2 La poudre de verre ............................................................................................. 19

iii

2.1.3 La soude (NaOH) ............................................................................................... 19

2.2

Méthodes de l’élaboration des géopolymères ............................................. 20

2.2.1 Préparation du métakaolin.................................................................................. 20 2.2.2 Synthèse des géopolymères................................................................................ 20

2.3

Technique de caractérisation des matières premières et des géopolymères 22

2.3.1 Analyse granulométrique (Granulométrie Laser) .............................................. 22 2.3.2 Diffraction aux rayons X(DRX)......................................................................... 22 2.3.3 Analyse thermique différentielle et thermogravimétrique ................................. 23 2.3.4 Microscopie électronique à balayage (MEB) de l’argile ................................... 23 2.3.5 Analyse chimique par ICP ................................................................................. 24

2.4

Caractérisation des géopolymères ............................................................... 24

2.4.1 Compression simple ........................................................................................... 24 2.4.2 Durabilité chimique............................................................................................ 25

TROISIEME PARTIE: RESULTATS ET DISCUSSIONS .............................. 27 3.1

Caractéristiques des matières premières ..................................................... 27

3.1.1 Propriétés physicochimiques de l’argile de Yaou .............................................. 27 3.1.1.1 Analyse chimique élémentaire (ICP) ......................................................... 27 3.1.1.2 Analyse granulométrique ........................................................................... 28 3.1.1.3 Diffraction des rayons X (DRX) ................................................................ 28 3.1.1.4 Microstructure de l’argile de Yaou ............................................................ 29 3.1.1.5 Analyse thermique différentielle (ATD) et thermogravimétrique (ATG).. 30 3.1.1.6 Analyse chimique de la poudre de verre .................................................... 31

3.2

Caractéristiques des géopolymères synthétisés ........................................... 32

3.2.1 Etude du retrait ................................................................................................... 32 3.2.2 Essais de compression des géopolymères .......................................................... 33 3.2.3 Etudes de la durabilité chimique des géopolymères .......................................... 34 3.2.3.1 Evolution du pH de la solution d’immersion ............................................. 34 3.2.3.2 Conductivité ............................................................................................... 35 3.2.3.3 État de surface des matériaux ..................................................................... 36 3.2.3.3.1 Cas de MK8 en solution neutre et basique ......................................... 36 3.2.3.3.2 Cas de MK8 en solution acide ............................................................ 37

CONCLUSION ......................................................................................................... 39 REFERENCES ......................................................................................................... 41

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LISTE DES FIGURES Figure 1:Représentation schématique de l’influence des zones climatiques sur la formation des minéraux argileux .................................................................................................................................... 4 Figure 2:Représentation des empilements de tétraèdres siliceux et d’octaèdres alumineux ................... 6 Figure 3:Représentation schématique des empilements de tétraèdres siliceux et d’octaèdres de type 2 /1 /1 ....................................................................................................................................... 6 Figure 4: organisation structurale de la palygorskite............................................................................... 8 Figure 5:Position du verre dans le système CaO-Si02-A1203 (Zidol, Pavoine, A, & Tagnit-Hamou, A., 2012) ...................................................................................................................................... 10 Figure 6:Variation de la quantité de silice (a) et d’oxyde de sodium (b) dissous en fonction du pH d’un verre de composition initiale Na2O-3SiO2 à 35 °C (Paul, 1982)............................................ 11 Figure 7:Assemblage inorganique dans les géopolymères (Riedmiller, Michael McIlhatton, & Siegfried Zuern, 2013) ........................................................................................................................... 15 Figure 8: processus de la géopolymérisation (Duxson, et al) ................................................................ 16 Figure 9:diagramme du protocole expérimental ................................................................................... 18 Figure 11: Processus d’obtention de la poudre de verre ........................................................................ 19 Figure 12 Le four électrique Nabertherm GmbH .................................................................................. 20 Figure 13: cycle de calcination de la kaolinite ...................................................................................... 20 Figure 14 Moules et mélange des pâtes ................................................................................................. 22 Figure 15: Essai de compression simple................................................................................................ 25 Figure 16: MK5 immergé en solution ................................................................................................... 26 Figure 17: Multiparamètre de type Cobra 4 .......................................................................................... 26 Figure 18: Argile de Yaou avant (a) et après (b) calcination ................................................................ 27 Figure 19 : courbe de l'analyse granulométrique de l'argile de Yaou .................................................... 28 Figure 20 : Diffractogramme de l’argile de Yaou ................................................................................. 29 Figure 21: Images MEB de l’argile de Yaou......................................................................................... 30 Figure 22: courbe ATD et ATG de l'argile de Yaou ............................................................................. 31 Figure 23: Photographies des différents échantillons de géopolymère ................................................. 32 Figure 24 évolution de la résistance à compression simple en foonction de la teneur en MK E/L=0,45 ; [NaOH]=5M ........................................................................................................................... 33 Figure 25: graphe d'évolution du pH des solutions en fonctionne du temps ......................................... 34 Figure 26: Variation de la conductivité électrique des solutions aqueuses ........................................... 36 Figure 27: Images au microscope optique de MK5 avant et après immersion pendant 7 jours ............ 37 Figure 28: effet de l'acide sur le géopolymère ....................................................................................... 38

v

LISTE DES TABLEAUX Tableau I: les classes des argiles phylliteuses (Essaidi 2013) ................................................................. 7 Tableau II: composition chimique du verre (. Kateb,2009)................................................................... 10 Tableau III: Composition des échantillons ............................................................................................ 21 Tableau IV:la composition chimique de l'argile .................................................................................... 27 Tableau V:composition du verre mixte ................................................................................................. 31 Tableau VI: Mesure du retrait en fonction de la quantité du MK ......................................................... 33

vi

INTRODUCTION Le béton reste le matériau le plus utilisé dans le domaine du génie civil et de la construction en raison de ses propriétés mécaniques remarquables. Cette forte utilisation du béton nécessite toutefois une demande accrue en ciment. Des études (Neumannb 2011) ont montré que la production du ciment laisse une empreinte considérable sur l’environnement. En effet, la fabrication du clinker du ciment Portland nécessite la calcination du calcaire en présence d’une source de silice à des températures élevées (1450°C), laquelle émet une quantité importante de CO2. Quantitativement, la production d’une tonne de ciment génère 0,55 tonne de CO 2 liée à la calcination des matières premières et 0,39 tonne supplémentaire de CO2 relatif aux combustibles (charbon, fuel) nécessaires pour les processus (ou étapes) de cuisson et de broyage, ce qui représente un total de 0,94 tonne de CO2 par tonne de ciment (Pacheco-Torgal, et al. 2011). La quantité de CO2

dégagée lors de la production du ciment représente à elle seule 5 à 8 % de la production mondiale de gaz à effet de serre (Neumannb 2011). Cette production s’accompagne également de l’émission de gaz de type NOX et SOX, responsables des pluies acides et du changement climatique (Desarnaud, et al. 2006). Ce constat montre que la production de ciment est devenue un problème environnemental majeur. Une alternative est de substituer partiellement voire totalement le clinker par un liant plus écologique dans la production du ciment. A cette fin, plusieurs travaux ont été menées afin d’élaborer des liants moins énergivores que le ciment traditionnel. Ces études ont conduit à la mise au point de bétons performants et écologiques (Idir, Cyr et Tagnit-Hamou 2011) dont la formulation comprend, en remplacement partiel du ciment, des matériaux cimentaires supplémentaires (MCS) ou ajouts cimentaires (AC) lesquels sont des résidus industriels (fumée de silice, laitiers, cendres volantes) ou déchets de verre faisant appel à des procédés. Au nombre des matériaux utilisés en remplacement partiel du ciment figurent les géopolymères. Ceux-ci sont des matériaux semi-cristallins ou amorphes à structure tridimensionnelle et dont la

synthèse est effectuée à basse température par interaction entre un milieu basique et la poudre d’un matériau aluminosilicate. Les géopolymères consomment moins d’énergie et le CO2 émis lors de leur conception est six (6) fois moins élevée que celui du ciment Portland soit l’équivalent de 184 kg de CO2 rejetés pour 1 tonne de ciment géopolymère synthétisé (J. Davidovits 2002). Une gamme relativement large de matériaux aluminosilicates intervient dans la production des géopolymères. 1

Parmi les éléments nécessaires à la production des géopolymères figurent les verres et les matériaux aluminosilicates. Les aluminosilicates les plus utilisés sont le kaolin, le métakaolin et les cendres volantes. Le choix de la source d’aluminosilicate est déterminant dans le processus de géopolymérisation et influence les propriétés intrinsèques du matériau. Les récentes études menées par Pascual ont montré que l’activation du métakaolin et de la poudre de verre par une source alcaline (Pascual 2014) confère à ces liants des propriétés mécaniques, physico-chimiques, thermiques améliorées en comparaison au ciment Portland.

Le recours aux géopolymères comme alternative au ciment est d’un grand intérêt puisqu’il diminue considérablement l’empreinte carbone, assure une gestion durable de l’environnement et permet de valoriser des matières premières naturelles. Cette technologie est particulièrement salutaire pour la Côte d’Ivoire qui regorge d’énorme gisement sous exploitée puisque leur usage est marginal et ne concerne que la poterie traditionnelle. A cela, il faut ajouter que la Côte d’Ivoire produit plus de cinq (5) mille tonnes de déchets de verre par an qui se retrouvent dans les décharges sans recyclage (Kouassi 2011). Leur usage dans le domaine des matériaux de construction est un moyen de réduire leur incidence sur la pollution environnementale. Le présent travail vise à la mise au point d’une formulation de géopolymère à partir de matériaux locaux. La démarche consistera à l’activation d’un mélange d’une argile en provenance de Yaou et une poudre de déchet de verre avec une source alcaline suivant la technique de géopolymérisation. Le matériau consolidé fera ensuite l’objet d’une caractérisation pour en déduire les propriétés physico-chimiques. Ce mémoire comprend trois (3) parties. La première est consacrée aux généralités dans laquelle nous donnerons un aperçu sur les différentes thématiques qui seront abordées. La deuxième partie traite des matériels, des méthodes, des protocoles expérimentaux et des techniques mis en œuvre pour caractériser les matières premières, les solutions ou les géopolymères. Enfin la dernière partie est consacrée aux résultats et discussions. .

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PREMIERE PARTIE :

GENERALITES

PREMIER PARTIE:

GENERALITES

Pour mieux appréhender ce sujet nous allons passer en revue les différentes thématiques abordées.

1.1 Généralité sur l’argile 1.1.1 Définition de l’argile L’argile, du latin « argilla », se définit comme une terre grasse et molle contenant un ensemble de particules fines (< 2μm) constituées essentiellement de minéraux à structure en feuillets et présentant une plasticité à l’état humide (Bouktah 2008). En géotechnique elle désigne les matériaux de tailles inférieures à 4µm. On trouve les minéraux argileux très fréquemment dans les sols et les roches sédimentaires. Les argiles, ou roches argileuses sont un mélange de minéraux et d’impuretés cristallines, souvent hydratés, de forme lamellaire ou fibreuse. Les propriétés physico-chimiques impressionnantes, permettent aux argiles d’être classées parmi des minéraux industriels qui présentent une grande valeur économique et écologique. Elles sont utilisables pour différentes applications, telles que : le raffinage d’huile alimentaire ; la cosmétique ; la médecine ; la fabrication des matériaux de construction et l’élaboration de matériaux géopolymères. 1.1.2 Formation des argiles Le mécanisme de formation des argiles est influencé par un ensemble de processus physiques et chimiques impliquant l’eau à la surface de la terre. Les argiles ou minéraux argileux sont issus de la transformation des silicates primaires et des roches volcaniques. Par le phénomène d’érosion ces détritus sont déposés dans les zones de faibles dépressions où ils subissent une série de transformation : la diagenèse ou transformation ne nécessite pas d’agent d’érosion elle a lieu sur place : la lithification. D’un point de vue géochimique la formation de l’argile se fait selon deux modèles réactionnels (Helgeson, M et Mackenzie 1969) Si l’hydrolyse des feldspaths potassiques a lieu dans un milieu fortement hydraté on obtient directement la kaolinite. Dans le cas contraire on obtient l’illite qui donnera la kaolinite. Ces mêmes procédés ont lieu aussi avec l’albite (feldspath sodique) qui peut donner directement la kaolinite ou les composés intermédiaires (montmorillonite sodique). Ces auteurs ont montré que l’albite et le feldspath potassique pris dans les mêmes conditions d’hydrolyse, la formation de la kaolinite 3

est plus rapide à partir de l’albite. La formation des minéraux argileux est gouvernée par la composition de la roche mère précurseur, l’environnement de l’eau de surface, la force des liaisons entre les cations et les atomes d’oxygène dans la structure du minéral et l’état d'hydratation de ces cations (Soro 2003). Ainsi dans les climats chauds et pluvieux la formation de la kaolinite est importante. La Figure 1 montre la répartition de la kaolinite en fonction des zones climatiques.

Figure 1:Représentation schématique de l’influence des zones climatiques sur la formation des minéraux argileux Dans les zones de faible couverture végétale où la pluviométrie est moins importante, la formation des minéraux argileux est moins importante. 1.1.3 Les gisements argileux de la Cote d’Ivoire Les études entreprises par la SODEMI en 1963 ont pu mettre en évidence un gisement d’argile de près de 1.700.000 m3 à Grand Bassam. Ces argiles ont prouvé leur aptitude à être formulées en brique pour l’utilisation en bâtiment. Dorothée J.P (Dorothé 1971), au cours de ses études du continental terminal en 1971 a découvert un gisement d’argile de couleur blanche à Gounioubé (15 km au nord - ouest d’Abidjan). Il s’agit d’un gisement près de 5 000 t de kaolinite qui n’est pas encore exploitée. Récemment une équipe de chercheurs (Emeruwa, et al. 2008) ont travaillé sur des argiles prélevées sur trois sites Anyama, Bingerville, Bonoua et Dabou. Ces études ont relevé que les argiles de Bingerville et Anyama peuvent être utilisées pour fabriquer les briques quant à l’argile de Bonoua elle pouvait servir de colorant pour les

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tuiles et les argiles de Dabou comme les céramiques réfractaires. L’argile de Katiola est beaucoup utilisée dans la poterie traditionnelle. 1.1.4 Structure chimique des argiles Les minéraux argileux sont des phyllosilicates plus ou moins hydratés, structuralement constitués d’un agencement de tétraèdres siliciques et d'octaèdres aluminiques et/ou magnésiens. Ces tétraèdres et octaèdres résultent de la superposition de trois types de plans anioniques disposés parallèlement et contenant des anions oxygène et des groupements hydroxyles. Ces plans sont dénommés X, Y et Z (Soro 2003). Le plan X est constitué uniquement d'anions oxygène en contact. Il correspond à une alternance de colonnes pleines et de colonnes à moitié remplies qui définissent le plan des lacunes hexagonales. Le plan Y contient à la fois des atomes d'oxygène et des groupements Hydroxyles. Sur chaque ligne, un ion oxygène sur trois est remplacé par un OH-. Le plan Z est un plan compact de groupements hydroxyles. L’empilement d’un plan compact (Y ou Z) et d’un plan à cavité hexagonale (X) forme des sites tétraédriques et celui de deux plans compacts (Y ou Z) donne des sites octaédriques. La différenciation des argiles se basant sur l’agencement des couches octaédriques et tétraédriques et selon l’Association Internationale pour l’étude des argiles (AIPEA). Nous avons trois grands groupes de minéraux argileux (Essaidi 2013): les argiles phylliteuses, les minéraux fibreux (ou argiles fibreuses) et les argiles interstratifiées. 1.1.4.1 Argiles phylliteuses La classification des argiles phylliteuses est basée sur la disposition des couches octaédriques et tétraédriques ainsi que la distance inter-foliaire. Ainsi on a : ✓ Minéraux à 7 Å (type 1/1 ou TO) Les minéraux de ce groupe sont caractérisés par une structure comprenant une couche de tétraèdres SiO4 et une couche d’octaèdres Al(OH) 6 dont l’épaisseur du feuillet est de 7 Å. (Figure 2). Ces minéraux appartiennent à la famille de la Kaolinite dont la formule est : Si4Al2O10(OH)2.

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Å 7Å

Figure 2:Représentation des empilements de tétraèdres siliceux et d’octaèdres alumineux ✓ Minéraux à 10 Å (type 2/1 ou TOT) Les minéraux de ce type ont des feuillets constitués d’une couche octaédrique comprise entre deux couches tétraédriques de type tétra-octa-tétra comme la montmorillonite et l’illite et un espace inter foliaire contenant des molécules d’eau et ayant des distances variables suivant la direction (001). ✓ Minéraux à 14 Å (type 2/1/1 ou TOTO) Ces types de minéraux sont constitués de deux couches tétraédriques et deux couches octaédriques comme les chlorites. (Figure 3)

ION INTER FEUILLET COUCHE OCTAEDRIQUE Espace inter feuillet Couche tétraédrique

Figure 3:Représentation schématique des empilements de tétraèdres siliceux et d’octaèdres de type 2 /1 /1 Ces minéraux phylliteux sont regroupés par Essaidi, dans le Tableau I

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Tableau I: les classes des argiles phylliteuses (Essaidi 2013) Type de feuillet

1/1

2/1

2/1/1

Nature du minéral

Formule générale

kaolinite

Si2Al2O3(OH)4

halloysite

Si2Al2O3(OH)4 nH2O

pyrophyllite

Si4Al2O10(OH)2

montmorillonite

Si 4(Al 2X R2* x)O10 (OH)2CExnH2O

Illite

(Si4xAlx)Al2O10(OH)2Kx

Vermiculite

(Si4-x ALx)(R3+ y-x R2+ 3-y )O10 (OH)2 CEx-y

Chlorites vraies

Si 4-x Alx (R2+3)O10 (OH)2R3+xR2+3-x)(OH)6

Selon (Essaidi 2013) ces argiles phylliteuses les plus importantes sont les kaolinites, les illites et les pyrophyllites. 1.1.4.2 Minéraux fibreux Les minéraux fibreux sont des minéraux à pseudo-feuillets constitués de plans continus d'atomes d’oxygène (plans anioniques X) séparés entre eux par deux plans contenant un assemblage compact d’atomes d'oxygène et de groupements hydroxyles (plans anioniques Y). L'empilement de ces plans Y forme un long ruban d’octaèdres dont la croissance est limitée à une seule dimension. Ces rubans étant disposés au-dessus et en dessous du plan continu de type X, les feuillets sont continus dans la direction de l'axe commun et discontinus dans les directions perpendiculaires (a et b). Sur une coupe parallèle au plan (a,b), la structure se présente sous forme de rubans discontinus, séparés entre eux par des canaux parallèles à l'axe commun et occupés par des molécules d’eau. Suivant la longueur du ruban dans la direction b, on distingue deux familles parmi ces minéraux fibreux : Les sépiolites et les palygorskites la Figure 4 présente l’organisation structurale.

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Figure 4: organisation structurale de la palygorskite 1.1.4.3 Argiles inter stratifiés Ce type de minéraux est formé par un mélange d’argiles phylliteuses, c’est l’association de deux ou plusieurs feuillets, qui s’alterne de différentes manières (Maroua Zerzouri, 2015) : •

Irrégulière comme la sudoite (chlorite- montmorillonite).

•

Régulière comme la bravaisite (illite- montmorillonite).

1.1.5 Usage actuelle de l’argile en Afrique Dans la majorité des pays d'Afrique, l’argile est utilisée dans l'élaboration des matériaux de construction. La méthode la plus simple consiste à prendre ces sols argileux et à les sécher à l'air. C'est la technique du pisé, de l'adobe et de la brique séchée au soleil. Un procédé plus élaboré consiste à mélanger ces sols avec du ciment ordinaire de type Portland, et à réaliser des briques de terre stabilisées (BTS) ou des briques de terre comprimées (BTC) Ces sols argileux peuvent être consolidés en remplaçant le ciment Portland par de la chaux Ca(OH)2. 1.1.6 Le métakaolin Le préfixe de méta est employé pour dénoter le changement d'un état. Dans le cas du métakaolin [Al203Si02] le changement qui intervient est une deshydroxylation de la Kaolinite [Si2Al205(OH)4] à haute température (Kateb 2009). Au-delà de la température de la deshydroxylation, la kaolinite maintient un ordre bidimensionnel dans sa structure et le produit obtenu se nomme métakaolin qui a un état désordonné et amorphe, qui est fortement 8

pouzzolanique. L'incorporation du métakaolin dans la fabrication des bétons, permet de transformer la chaux en hydrates stables, d'homogénéiser les teintes, de réduire les efflorescences, d'améliorer la compacité, et d'éclaircir les parements. Le métakaolin est considéré comme une matière pouzzolanique en raison de sa surface spécifique élevée et de la silice amorphe qui entre dans la composition de cet aluminosilicate (Liu 1998). Elle permet d'augmenter la résistance ainsi que la durabilité des matrices cimentaires, due à la réduction de la taille des pores et de fermer la connectivité de ces pores, ainsi qu'une perméabilité plus faible que celle des bétons avec fumée de silice ou cendres volantes (Dyer et Thir 2001). Les principaux composants de la kaolinite subissent des transformations au cours du traitement thermique.On peut noter quatre réactions au cours du traitement thermique de l’argile kaolinite. Les deux premières sont endothermiques, et les deux dernières sont exothermiques. (Koneshloo 2007). A 100°C l’argile perd son eau de surface (l’eau absorbée), à 600°C elle perd l’eau de cristallisation (l’eau de constitution) pour donner une structure amorphe (métakaolin), A 980° C environ. Nous avons une réorganisation du métakaolin en mullite. Finalement vers 1200° C l’on peut observer la transformation rapide de la silice en cristobalite et la réaction entre Al2O3 et SiO2. Le produit de cette réaction est encore la mullite. Les études menées par une équipe de chercheurs (Konan, Soro, et al. 2010) ont montré que pour une même température de traitement thermique (700°C), le kaolin mal cristallisé est plus déshydroxylé et plus amorphe que le kaolin bien cristallisé. Un temps de calcination plus long à 700°C est nécessaire pour une deshydroxylation et une amorphisation totale du kaolin bien cristallisé. (Bouktah 2008)

1.2 Généralités sur les verres 1.2.1 Définition Le verre se définit comme « un solide non cristallin, présentant un phénomène de transition vitreuse » (Zachariasen 1932). Cette définition générale diffère de celle du langage courant qui comprend par verre un matériau fragile et transparent. Elle englobe les matériaux amorphes, c’est-à-dire des matériaux obtenus par refroidissement, mais exclut les matériaux non cristallins. En effet, l’état vitreux peut être défini comme un état métastable, qui peut présenter un ordre atomique à courte distance. Le plus souvent, le verre est obtenu par figeage de la phase liquide. Il est refroidi progressivement jusqu’à sa solidification. En géologie il correspond à la matière amorphe dont les minéraux n’ont pas eu le temps de se cristalliser. Le verre commercial est plus souvent, constitué d'oxyde de silicium (SiO2) et de fondants.

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1.2.2 Composition du verre (Zidol, et al. 2012) ont dans leurs études placé le verre dans le ternaire SiO2 –CaOAl2O3(.Figure 5) Il a montré que le verre est essentiellement constitué de la silice avec de très faible proportion NaO et de Al2O3 .

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Figure 5: Position du verre dans le système CaO-Si02-A1203 (Zidol, Pavoine, A, & Tagnit-Hamou, A., 2012) L’analyse chimique du verre sodocalcique montre qu’il est constitué majoritairement de la silice (68 à 74%), de l’oxyde de sodium (12 à 16%) et de la chaux (7 à 14%) avec de petite quantité potasse d’alumine et d’oxyde d’antimoine ( Tableau II). Tableau II: composition chimique du verre (. Kateb,2009)

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1.2.3 Réactivité du verre en solution Plusieurs études ont été faites afin de mettre en évidence le comportement du verre en solution. Initialement on avait à l’idée que le verre était inattaquable (chimiquement inerte) mais les recherches entreprises ces dernières décennies ont pu montrer les différents comportements du verre en solution ces comportements sont gouvernés par plusieurs paramètres intrinsèques et extrinsèques au verre. Les auteurs ont étudié la réactivité du verre en milieu acide, basique et neutre. 1.2.3.1 Réactivité en milieu basique La durabilité chimique des verres de silicates dépend fortement du pH et de la nature de la solution attaquante. En effet, les verres de silicates deviennent particulièrement sensibles à la décomposition au-dessus de pH ~ 9-10 (Paul 1982). La Figure 6 montre la variation de dissolution de la silice et de la soude en fonction du pH à 35°C d’un verre de composition initiale Na2O-3SiO2 à 35 °C.

Figure 6:Variation de la quantité de silice (a) et d’oxyde de sodium (b) dissous en fonction du pH d’un verre de composition initiale Na2O-3SiO2 à 35 °C (Paul, 1982) En milieu basique, la silice passe très rapidement en solution alors que la quantité de sodium passant en solution reste très négligeable Dans ce cas, le mécanisme qui régit est la dégradation du réseau silicique (ou etching). Le verre est alors hydraté puis totalement dissout par rupture des ponts Si-O-Si à la surface du verre Le mécanisme réactionnel peut être décrit par l’ Équation 1 (Kouassi 2011).

11

Équation 1:mécanisme d'attaque du verre par les solutions alcalines

1.2.3.2 Réactivité en milieu acide Le mécanisme de dégradation du verre par une solution acide se traduit par l’échange d’ions entre la solution aqueuse et la surface du verre, c’est la désalcalinisation de la surface ou leaching (J. Zarzycki 1982). Lorsque les ions Na+ et OH- passent en solution, le proton du groupe silanol SiOH échange son site de surface avec celui d’un ion alcalin de l’intérieur : il diffuse dans le verre. La cinétique est donc contrôlée par l’interdiffusion entre le cation alcalin du verre et le proton. Il semble qu’à basse température, le cation qui diffuse dans le verre est l’ion hydronium. (Kouassi 2011) 1.2.3.3 Réactivité en milieu neutre Le mécanisme régissant la corrosion du verre en solution neutre sous l’effet de la diffusion de l’eau à l’intérieur du verre, les atomes d’oxygène non-pontant se transforment en groupe silanol (≡SiOH). Ceci permet à l’ion Na+ libéré de diffuser à la surface du verre avec l’ion OH-. Par conséquent, les verres de silicates peuvent être considérés comme des sels d’un acide faible et de base forte qui subiront une réaction d’hydrolyse (Barton et C. Guillemet 2005) 1.2.4 Recyclage du verre, un enjeu environnemental pour la Cote d’Ivoire Le verre peut être réutilisé de plusieurs manières. Il peut constituer une matière première « calcin » dans la production du verre, réutilisé comme matière première dans la production d'abrasifs pour la technique du sablage et comme additif de base dans les travaux de fonderie des métaux. Au niveau de la Côte d’Ivoire nous ne disposons pas d’unité de fabrication. La majorité des déchets de verre reste dans la nature et cela constitue un réel problème environnemental. Le verre est amorphe et a une forte teneur en silice (69-74% de SiO2) lui conférant d’intéressantes propriétés pouzzolaniques. Le verre broyé à une taille de particules inférieure ou égale à 75 μm peut être un bon additif au ciment portland (Xie et Xi, Y. 2002). Cependant, du fait de la présence d’alcali en quantité élevée (10-16%), les bétons incorporant du verre pourraient être facilement sujets aux réactions alcali-silice (RAS). En effet, certaines phases siliceuses provenant des granulats et instables dans les milieux à fort pH, réagiront avec les alcalis en produisant un gel expansif à l’origine du gonflement et de la fissuration du béton. 12

Cela contribuerait à réduire la durée de vie du béton. Pour résoudre ce problème, (Shayan et Xu, A. 2004) ont montré que pour des bétons incorporant jusqu'à 30% de verre broyé, la mise en solution des alcalis est trop faible pour créer une expansion due à la réaction alcali-silice (RAS). Ces dernières décennies l’usage du verre dans le domaine du génie civil est en vogue. Il a été utilisé comme additif cimentaire, comme granulat dans la conception du béton (Kateb 2009). Par ailleurs, (Zidol, et al. 2012) ont montré que la poudre de verre a la capacité d'améliorer de manière significative la résistance à la pénétrabilité des ions chlore (ASTM C1202), augmentant ainsi la durabilité du béton. Selon ces mêmes auteurs, la diminution de la pénétrabilité des ions chlore résulte de l'affinage des pores dans le béton. Cette situation est due à la taille des grains et à la réaction pouzzolanique. Dans une récente étude sur la formulation de nouveaux liants minéraux, Ana Balaguer (Pascual 2014) a étudié le ternaire poudre de verre – le métakaolin – la soude. Elle a formulé des mortiers en faisant varier les paramètres tels que le rapport E/L, la teneur en métakaolin de 0% à 8%, le temps de maturation, la concentration de la soude. Ses expériences ont montré que la poudre de verre et le métakaolin activés par la soude ont donné naissance à des matériaux de bonne résistance à la compression et peu corrosifs. Au niveau national, les récentes études effectuées par Kouassi S. (Kouassi 2011) ont mis en exergue la possibilité d’activer en présence d’une solution alcaline la poudre de verre pour élaborer les éco-matériaux. Ces dernières technologies constituent une aubaine pour le recyclage des verres de la Côte d’Ivoire. En effet le district d'Abidjan regorge une quantité d'environ 5000 tonnes de déchets de verre de source industrielle et urbaine par an et celle-ci se retrouve dans les décharges sans traitement (Kouassi 2011). La valorisation de ces déchets dans les matériaux de construction comme la consolidation des argiles latéritiques pourrait être une solution pour la gestion efficiente des verres usagés.

1.3 Généralité sur les géopolymères 1.3.1 Définition Les géopolymeres sont des gels d’aluminosilicates amorphes. Ils sont inspirés des polymères organiques (la matière plastique). Ce thème a été institué par Joseph Davidovits en 1972. (www.geopolymer.org) c’est en quelque sorte une synthèse des roches à de faible température, ces matériaux sont synthétisés par l’activation alcaline d’aluminosilicate à 13

pression atmosphérique et à température inférieure à 100°C. Ces polymères minéraux ont une stabilité thermique à l’opposé des polymères organiques. (www.geopolymer.org). Ils ont été tout d’abord synthétisés par Purdon en1940, puis par Glukhovsky vers 1959 Cette technologie est inspirée de la composition du ciment traditionnel (65 % d’oxyde de calcium ou chaux vive (CaO), 22 % de dioxyde de silicium (SiO2), 6 % d’oxyde d’aluminium (Al2O3) et 3 % d’oxyde de fer (Fe2O3). Les 4% restants sont composés de faibles quantités d’oxyde de magnésium (MgO) en général moins de 2 %, et d’alcalins divers. Dans le ciment Portland “classique”, les principaux oxydes se combinent pour former quatre minéraux, réactifs à l’eau, constituants du clinker silicate tricalcique ou “alite” (C3S, généralement 50-55 %), silicate bicalcique ou “bélite” (C2S, 19-24 %), aluminate tricalcique (C3A, 6-10 %) et aluminoferrite tétracalcique (C4AF, environ 7-11 %), auxquels on ajoute environ 5 % de gypse (Neumannb 2011) Ces nouveaux produits sont issus de la réaction entre des polyacides de silice et d’aluminium en milieu alcalin. Cette réaction s’apparente à la synthèse de polymères organiques, d’où l’appellation géopolymère donnée à ces produits. Dans ces enchaînements, chaque atome d’aluminium ou de silicium est entouré de quatre atomes d’oxygène (tétraèdres d’AlO4 ou de SiO4), d’où une étroite parenté avec la structure des roches naturelles. Selon le rapport Si/Al, l’alcalinité et l’activation des matières premières, il est possible d’obtenir des structures tridimensionnelles qui conduisent à des matériaux d’excellente qualité 1.3.2 Mécanisme de formation Le mécanisme de formation des géopolymères est complexe. Plusieurs auteurs ont donné une tentative d’explication aux différentes étapes qui animent le processus de géo polymérisation. Ainsi selon (Atchloli, et al. 2012), l’on peut le résumer en deux phénomènes : un mécanisme de dissolution, suivi d’une polycondensation sous forme de gel (.Figure 7).

14

Figure 7:Assemblage inorganique dans les géopolymères (Riedmiller, Michael McIlhatton, & Siegfried Zuern, 2013) Par ailleurs, un modèle résumé en trois étapes a été proposé par Glukhovsky en 1950 en effet selon ce dernier on a une réaction de destruction/coagulation, coagulation/condensation et condensation/cristallisation. Les récentes études menées par Duxson et al (Duxson, et al. 2007) ont proposé un mécanisme général de la réaction en cinq étapes, mais le mécanisme précis de la synthèse géochimique conduisant à une structure macromoléculaire tridimensionnelle reste dépendant des matières premières utilisées et n’est pas encore totalement élucidé. Le plus souvent, on caractérise le constituant principal, à savoir le silicate alcalin, par son rapport SiO2/Na2O qui va déterminer le degré d’interconnexion et la vitesse de réaction. Ces étapes sont présentées à la Figure 8.

15

Figure 8: processus de la géopolymérisation (Duxson, et al) 1.3.3 Etude de la durabilité des systèmes géopolymères La conception d’un matériau viable prend en compte l’adaptation de celui-ci avec son milieu environnemental Ainsi (Pouhet 2015) a montré que contrairement à la matrice cimentaire, la réaction de carbonatation ne représenterait pas un problème de durabilité dans les systèmes géopolymères à base de métakaolin, en ce qui concerne la corrosion par carbonatation. En revanche, il a été observé que les efflorescences induites à la suite de la carbonatation de la solution interstitielle des géopolymères pouvaient conduire, en plus des problèmes esthétiques, à d'importants dommages de surface. Cette étude a également fourni une approche expérimentale nouvelle pour évaluer l'impact de la carbonatation dans les géopolymères à base de métakaolin. Il a montré que la réaction alcali-silice ne représenterait pas un problème de 16

durabilité pour les structures faites en géopolymère à base de métakaolin. Ce résultat met en avant une application particulièrement intéressante pour ce liant alternatif, qui pourrait donc être utilisé avec des granulats réactifs à la RAS sans causer de dommage. Par ailleurs (Pascual 2014) a montré que les bétons obtenus à partir du geopolymeres formulé à partir de la poudre de verre et du métakaolin ont une résistivité très élevée.

17

DEUXIEME PARTIE :

MATERIELS ET METHODES

DEUXIÈME PARTIE:

MATERIELS ET METHODES

L’élaboration d’un matériau a ses exigences qui contraignent les spécialistes à des études minutieuses afin de mieux appréhender le comportement chimique et mécanique du matériau. Ces études consistent en un ensemble de tests qui sont effectué au laboratoire. Dans ce chapitre nous passerons en revue tous tests d’analyse physique et chimique qui ont été effectués. La Erreur ! Source du renvoi introuvable. présente le protocole expérimental depuis la collecte des matières premières jusqu’à la caractérisation du matériau final.

Figure 9:diagramme du protocole expérimental

18

2.1 Présentation des matières premières Dans cette partie il sera question de présenter les matières premières que nous avons utilisées pour élaborer ces échantillons de géopolymère. 2.1.1 L’argile L’argile utilisée dans le cadre de ce mémoire provient de Yaou, une ville située au Sudest de la Cote d’ivoire et appartenant au département d’Aboisso, dans la région du Sud-Comoé. La géologie de cette zone s’inscrit dans celle du bassin sédimentaire. 2.1.2 La poudre de verre L’échantillon de verre que nous avons utilisé provient des déchets de ménage. Il s’agit de verre mixte collecté dans les décharges, puis lavé afin de les débarrasser des déchets organiques, de la matière plastique et des papiers d’emballage. L’étape suivante était de les sécher, les concasser et les broyer dans un broyeur de type SYTEM. Après le broyage nous sommes passés au tamisage. La Figure 10 donne les différentes étapes du traitement du verre sa forme massive jusqu’à la poudre.

Figure 10: Processus d’obtention de la poudre de verre 2.1.3 La soude (NaOH) Les solutions alcalines de NaOH de concentration 5M servant d’activateurs ont été préparées par dissolution de pastilles de NaOH dans de l’eau distillée. Le NaOH utilisé pour l’élaboration des géopolymères provient de la compagnie Honeywell/Fluka. Il présente une 19

composition chimique de 98% en NaOH, 1% en carbonate de sodium et le reste est un mélange de chlorures, de phosphates, de sulfates, etc…en très faible quantité.

2.2 Méthodes de l’élaboration des géopolymères 2.2.1 Préparation du métakaolin Etant donné que l’argile naturelle est un matériau cristallin, nous avons procédé à sa calcination pour former le métakaolin qui est un matériau pouzzolanique. La calcination de notre argile a eu lieu dans un four électrique de type Nabertherm GmbH (Figure 11) de température maximale de 1100°C.

Figure 11 Le four électrique Nabertherm GmbH Nous pesons l’argile avant son passage au four puis après le passage au four. La différence de masse constitue la perte au feu du matériau. Pour la calcination nous avons adopté le cycle thermique décrit à la Figure 12

Figure 12: cycle de calcination de la kaolinite 2.2.2 Synthèse des géopolymères L’un des objectifs était d’avoir une idée des systèmes géopolymériques car ces systèmes étaient peu connus. Nous avons ainsi élaboré des pates sur lesquels nous avons 20

observé le comportement., Les techniques de préparation retenues sont celles proposées par Anna Balaguer (Pascual 2014). Des matériaux incorporant 0%, 5%, 8% et 10% de métakaolin (MK) ont été formulés. Les échantillons ont été activés avec des solutions de NaOH 5M puis conservés à l’étuves à 70ºC pendant 7 jours Le rapport eau liant (E/L) est fixé à 0,45. Pour la nomenclature des échantillons nous avons adopté la formule suivante : MK0, MK5, MK8 et MK10 respectivement pour 0, 5, 8, 10% de métakaolin. Le Tableau III montre la composition des différents échantillons. Tableau III: Composition des échantillons Notation

Composition PV(%)

MK (%)

NaOH (mol/l)

MK0

100

0

5

MK5

95

5

5

MK8

92

8

5

MK10

90

10

5

En effet nous avons commencé par peser les matières premières en respectant les proportions données dans le Tableau III. Nous avons suivi le protocole de synthèse selon Pascual A. (Pascual 2014). Celui-ci consiste à faire une solution de NaOH et à cette solution nous avons ajouté du la poudre de verre puis agiter manuellement pendant 2 minutes afin de dissoudre partiellement la silice ensuite y avons le metakaolin puis continuer à malaxer manuellement à l’aide de la spatule. Les éprouvettes cylindriques de diamètre 7 et d’hauteur 14 ont été confectionnées avant la prise. Puis conservées à l’étuve pour la maturation pendant 7 jours à 70°C. Les échantillons sont démoulés après leur sortie de l’étuve. La Figure 13 présente les moules utilisés pour l’élaboration des échantillons.

21

Figure 13 Moules et mélange des pâtes

2.3 Technique de caractérisation des matières

premières et des

géopolymères 2.3.1 Analyse granulométrique (Granulométrie Laser) La granulométrie laser est une technique créée dans les années 1970. De façon générale elle permet la mesure de la taille des particules. Elle est basée sur le principe de diffraction et de diffusion d’un faisceau laser frappant une particule. Il existe deux modes de dispersion : sèche et humide. Cette technique permet la mesure de tailles comprises entre 0,05 et 900 μm. Les échantillons ont été analysés par voie humide. Les particules d’un gramme (1g) du produit à étudier, préalablement dispersées dans 30 ml d’eau distillée plus 5 gouttes de HMP (ultrasons), passent à travers un rayon laser fixe. Chaque particule diffracte la lumière selon un angle qui est fonction de sa taille. La lumière diffractée est recueillie par un détecteur multiélément. L’image de diffraction obtenue est transformée en utilisant un modèle optique et une procédure mathématique appropriés. Le résultat, illustré sous forme de courbe semi logarithmique, est une distribution de particules en volume (diamètre d’une sphère de volume équivalent) (Essaidi 2013) . 2.3.2 Diffraction aux rayons X(DRX) La diffraction des rayons X (DRX) est une technique d’analyse fondée sur l’interaction entre les rayons X et la matière. Lorsque la longueur d’onde λ d’un rayonnement incident est du même ordre de grandeur que les distances inter-réticulaires (d) d’un cristal ou d’une poudre, il y a interaction rayonnement-matière suivant la relation de Bragg Equation 2 :

2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑛

22

Dans le cadre de nos études nous avons utilisé le Bruker D8 Avance utilisant la radiation Cu Kα (λKα = 1,54056 Å) et un monochromateur arrière en graphite. La gamme d’analyse est comprise entre 2 et 70° avec un pas de 0,01° et une durée : 29 minutes avec un pas de 0,25 seconde. Les phases cristallines présentes dans le matériau sont identifiées par comparaison avec les standards PDF (Powder Diffraction Files) de l’ICDD (International Center for Diffraction Data) (Essaidi 2013). 2.3.3 Analyse thermique différentielle et thermogravimétrique Le principe de l’analyse thermogravimétrique (ATG) consiste à mesurer en continu la perte de masse de l’échantillon de matériau qui subit une élévation de température. Généralement la masse de l’échantillon varie linéairement avec le temps (vitesse de montée en température constante) ou peut être maintenue constante en fonction du temps (thermogravimétrie isotherme). L’ATG est utile pour analyser des réactions qui se produisent avec dégagement de certains constituants ou combinaison avec une phase gazeuse. Chaque phyllosilicate est caractérisé par un domaine de déshydroxylation particulier, donc, les mesures d’ATG servent pour une analyse quantitative et qualitative. L’ATD, l’analyse thermo différentielle consiste à suivre l’évolution de la différence de température (∆T) entre l’échantillon et un échantillon de référence, dépourvu d’effet thermique dans le domaine de température étudié. Pour les minéraux argileux qui subissent une deshydroxylation au cours du traitement thermique, l’ATD permet d’identifier les phases présentes et même de les quantifier si les transformations ne s’effectuent pas dans la même gamme de température. L’échantillon est placé dans une enceinte où l’atmosphère peut être contrôlée ; celle-ci peut être constituée d’un gaz inerte (N2, dans la plupart des cas, He ou Ar) ou d’un gaz pouvant réagir avec l’échantillon ( O2 , CO2 , air et dans quelque cas , N2 ). Pour notre étude, un analyseur thermique avec un système ATD-ATG couplé de type SETSYS évolution a été utilisé dans un domaine de température de 30-1200°C. La vitesse de montée en température est de : 5°C/min et un refroidissement de 20°C/min. La masse de l’échantillon de référence : 50,3 mg 2.3.4 Microscopie électronique à balayage (MEB) de l’argile La microscopie électronique à balayage (MEB) est une technique de caractérisation de surface permettant des observations jusqu’à l’échelle nanométrique. Cette technique n’analyse est basée sur la détection des électrons secondaires récoltés par bombardement de l’échantillon. 23

Elle permet d’estimer la distribution granulométrique, la taille moyenne des grains après la géopolymérisation et d’évaluer la porosité. Avant d’être observé au MEB, un dépôt or / palladium (Au/Pd) est réalisé sur les échantillons. Cette métallisation évite l’accumulation de charge à la surface de l’échantillon et diminue la profondeur de pénétration du faisceau, améliorant ainsi la qualité de l’image Dans le cadre de nos études nous avons observé nos échantillons à l’aide de l’appareil de type FEI, Quanta FEG 450 (environnemental). 2.3.5

Analyse chimique par ICP Cette technique permet de déterminer les proportions massiques des différents

éléments chimiques dans un échantillon. La composition chimique des échantillons d’argile a été déterminée par la microonde multiwave Pro de marque Anton Paar. Le principe de l’analyse consiste à faire passer l’échantillon dissous sous forme d’aérosol dans un plasma HF. Ce dernier est constitué d’argon partiellement ionisé aune température élevée pouvant aller de 4200 à 6000 K. Les électrons et les atomes présents dans l’aérosol sont excités par le plasma. Lors du retour à l’état initial, les longueurs d’onde du rayonnement émis sont caractéristiques des éléments présents. Chacune des longueurs d’onde émise a une intensité directement proportionnelle à la quantité d’atomes de l’espèce implique. Ceci permet par le biais d’un photomultiplicateur place dans les champs d’analyse de convertir l’intensité lumineuse observée pour chaque longueur d’onde en un courant électrique d’intensité proportionnelle à la concentration en éléments dosés. Le problème majeur résulte des risques d’obstruction du tuyau d’alimentation de la chambre plasma par de fines particules non dissoutes, d’où l’importance de l’étape de mise en solution.

2.4 Caractérisation des géopolymères 2.4.1 Compression simple Le test de compression de nos géopolymères a été réalisé au Laboratoire des Bâtiments et Travaux Publique (LBTP) d’Abidjan. Le principe consiste à comprimer l’échantillon entre deux plaques. Les mesures de forces appliquées à la rupture sont faites directement et données par la presse. La résistance en compression peut être définie comme étant la mesure de la résistance maximale d’une éprouvette de béton ou de mortier à une charge axiale. Elle est en méga pascal (MPa) et est généralement déterminée à l’âge de 28 jours. L’essai consiste à déterminer les résistances en compression sur des cubes de mortier (50 mm de côté) selon la norme CSA A456.2-C2 (ASTM C109). Pour les bétons, les essais se font sur des cylindres 100 24

x 200 mm selon la norme ASTM C39. Il s’agit dans cet essai de caractériser les performances mécaniques d’un mortier ou d’un béton de ciment ou de géopolymère. Dans notre cas nous avons effectué les tests sur les éprouvettes cylindriques de dimensions (7cm x 14cm). En respectant l’élancement 2. La

Figure 14 montre le dispositif de l’essai de compression

simple.

Figure 14: Essai de compression simple 2.4.2 Durabilité chimique Dans le but d’étudier la stabilité chimique de nos matériaux en solutions aqueuses, nous les avons soumis à différentes solutions acide, basique et neutre. (Figure 15) Ainsi, nous avons utilisé une solution de HCl de pH= 4,5, une solution de soude de pH = 10,75 et de l’eau distillée à pH = 6,57. Les échantillons MK5 ont été synthétisés et placés dans chacune des solutions en respectant le rapport de 10 ml de solution par gramme d’échantillon. Les valeurs de pH et de conductivité des solutions ont été suivies dans le temps à l’aide d’un multiparamètre de type cobra 4 (Figure 16). Au bout de sept (07) jours d’immersion dans les solutions, les

25

surfaces des échantillons ont été observées à l’aide d’un microscope optique de type optika surmonté d’un écran tactile.

Figure 15: MK5 immergé en solution

Figure 16: Multiparamètre de type Cobra 4

26

TROISIEME PARTIE :

RESULTATS ET DISCUSSIONS

TROISIÈME PARTIE:

RESULTATS ET DISCUSSIONS

3.1 Caractéristiques des matières premières La détermination des propriétés physico-chimiques les matières premières utilisées pour l’élaboration des géopolymères constituent un préalable à l’interprétation du comportement de ces derniers. 3.1.1 Propriétés physicochimiques de l’argile de Yaou 3.1.1.1 Analyse chimique élémentaire (ICP) La connaissance de la composition chimique des sources aluminosilicates est très importante car celle-ci influence considérablement les propriétés mécaniques du géopolymère. Notre argile ici est constituée majoritairement de la silice (61,84%), de l’alumine (18,03%) et d’oxyde ferrique (16,71%) avec petites quantités de K2O, Na2O et de TiO2. Le Tableau IV présente la composition chimique de l’argile. Le rapport SiO2/ Al2O3 =3 supérieur à 1,18 pour la kaolinite pure ce qui traduit la présence de la silice libre dans l’argile. Cette argile contient une quantité de d’oxyde ferrique très élevée. Ces oxydes vont induire lors du traitement thermique la formation des précipités de fer. (Soro 2003) Tableau IV:la composition chimique de l'argile

Proportion (% masse)

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

K2O

MgO

Na2O

TiO2

61,84

18 ,03

16,71

0

1 ,84

0

0 ,32

1,32

Cette forte présence de fer donne une coloration rougeâtre la Figure 17 présente la couleur de l’argile et du métakaolin après calcination.

a

b

Figure 17: Argile de Yaou avant (a) et après (b) calcination 27

3.1.1.2 Analyse granulométrique L’analyse granulométrique de l’argile de Yaou a été réalisée et la Figure 18 présente la répartition granulaire de notre échantillon. L’analyse montre que 50% des particules ont un diamètre inférieur à 10 μm. Cette argile ne contient pas d’éléments grossiers car elle a un diamètre dans l’ensemble inférieur à 90 μm. Cette propriété est à l’origine une forte activité pouzzolanique. Du fait l’importance de la surface spécifique de 41,6053 m2/g Les matériaux formulés seront peu poreux.

120

purcentage des passants (%)

100 80 60 40 20 0 0,01

0,1

1 10 100 diamètre du tammis (μm)

1000

10000

Figure 18 : courbe de l'analyse granulométrique de l'argile de Yaou 3.1.1.3 Diffraction des rayons X (DRX) La DRX a été réalisée sur une préparation non orientée sous forme de poudre tamisée 40 µm. Le passage de l’échantillon à la DRX nous donne le diffractogramme (Figure 3-2). Il est ressorti de cette indexation que notre argile est constituée de la kaolinite, de l’illite, du fer et du quartz. Ces différentes phases minérales sont caractérisées par : La Kaolinite principaux pics (2θ) :12,5 ;20,6 ;21,4 ;25 ;38,6 ; Le quartz principaux pics (2θ) :21° ;27° ;36,7°;39,4° ;40,2° ;50° ;60° 28

L’illite principaux pics (2θ) : 9° ;18° ;20°;30° ;35° ;46° La goethite principaux pics 21°,40,2

Quartz Illite Goethite

Kaolinite

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Angle ( 2theta) Figure 19 : Diffractogramme de l’argile de Yaou 3.1.1.4 Microstructure de l’argile de Yaou L’acquisition de la microstructure a été possible grâce au microscope électronique à balayage (le MEB). Le principe est basé sur la traversée de l’échantillon par une source électronique. Elle permet d’observer la morphologie et la taille des plaquettes de la kaolinite. Les images de la Figure 20 représentent la morphologie de l’argile après la MEB. Ces analyses au MEB montrent qu’à 30µm on n’observe qu’une pate amorphe avec de petit amas par endroit. Ce qui permet de dire que notre argile est faiblement cristallisée. A partir de 2 µm jusqu’à 5 µm on observe des plaquettes de forme irrégulière constituées en amas, caractéristiques des matériaux à faible cristallinité. (Soro 2003). Elle indique également la structure en feuillet de la kaolinite.

29

Figure 20: Images MEB de l’argile de Yaou 3.1.1.5 Analyse thermique différentielle (ATD) et thermogravimétrique (ATG) L’ATD et l’ATG permettent de mettre en évidence le comportement thermique de l’échantillon de l’argile de Yaou. Le résultat de l’analyse thermique réalisée dans la gamme de température de 0 à 1100°C est présenté à la Figure 21 .Le thermo gramme montre cinq (05) accidents thermiques. Le premier pic endothermique autour de 100°C est lié à l’élimination de l’eau hygroscopique des feuillets auquel est associée une perte de masse 1,2 %. Le second pic (exothermique), autour de 300°C qui correspond à la combustion de la matière organique. La perte de masse associée à cette transformation est d’environ 1,8 %. Un troisième pic (endothermique) aux alentours de 500°C correspond au départ de l’eau de constitution et la transformation de la kaolinite en métakaolin. Cette transformation entraîne une perte de masse de 5 %. Le quatrième pic endothermique qui se produit près de 600°C est caractéristique de la transformation allotropique du quartz (passage du quartz  au quartz β), confirmant la présence du quartz dans cette argile.

30

Cet événement n’entraîne pas de perte de masse. Le pic exothermique observé à 980°C correspond à une réorganisation structurale du métakaolin. (passage du métakaolin en mullite)

5

0 -1

ATD Argile de Yaou ATG argile de Yaou

3

-2 -3

2

-4

1

-5

0

-6

-1

-7

-2

-8

-3

-9

-4

-10 0

Perte de masse (%)

Flux de chaleur (µV)

4

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Température (°C) Figure 21: courbe ATD et ATG de l'argile de Yaou 3.1.1.6 Analyse chimique de la poudre de verre Afin de déterminer la composition chimique de l’échantillon de verre qui fait l’objet de cette étude, sa composition chimique élémentaire a été a été déterminée. Le résultat en pourcentage massique des oxydes équivalents sont présentés dans le Tableau V. Tableau V:composition du verre mixte Al2O3

CaO

Fe2O3

K2O

MgO

Na2O

SiO2

TiO2

1,94

8,99

0,23

0,56

0,74

13,67

73,59

0,28

Verre mixte (% massique)

Les résultats montrent que le verre SB est composé majoritairement des oxydes SiO 2, Na2O et CaO. Cette teneur importante en ces oxydes indique que le verre mixte appartient à la grande famille des verres sodocalciques. Les quantités importantes de Na2O et CaO dans le verre contribuent respectivement à diminuer et à augmenter sa durabilité chimique. 31

3.2

Caractéristiques des géopolymères synthétisés

3.2.1 Etude du retrait Le retrait est la diminution des dimensions du matériau par rapport à ses dimensions initiales. Il peut être expliqué par la présence de forces de tractions (capillaires) qui se développent par formation de ménisques lorsque l’eau contenue dans les capillaires est évacuéeLe retrait est un paramètre très important dans la formulation du matériau. Les éprouvettes contenant respectivement 0% (MK0), 5% (MK5) ,8% (MK8) et 10% (MK10) de metakaolin avec une solution d’activation de soude 5M, à une température d’activation de 70°C pendant 7 jours ont été confectionnées. La Figure 22présente l’aspect des matériaux consolidés.

Figure 22: Photographies des différents échantillons de géopolymère Les mesures des dimensions ont été faites afin de voir le retrait en fonction de la quantité du MK. La relation (Équation 2).

Équation 2: expression du retrait Retrait =

𝑒0−𝑒 𝑒0

∗ 100

e0 : épaisseur

initiale

e :épaisseur finale

Le retrait du matériau est plus important lorsque la quantité du métakaolin augmente (Tableau IV). Cela est dû à la finesse du métakaolin et surtout sa propriété pouzzolanique élevée. La fixation des alcalis à l’intérieur de la matrice de géopolymère par le métakaolin aurait pour effet de rendre plus dense et plus compact le gel formé. (Pascual 2014) . Pour les systèmes contenant moins ou pas de MK le retrait n’est pas assez conséquent. 32

Tableau VI: Mesure du retrait en fonction de la quantité du MK %MK

0

5

8

10

Retrait (%)

0

4,17

5,81

6,4

3.2.2 Essais de compression des géopolymères Les éprouvettes ont subi un essai de compression simple et la Figure 23 montre les différentes valeurs de la résistance à la compression simple après 28 jours. La résistance à la compression se calcule suivant la relation (1)

σ=

σ: contrainte à la rupture (MPa)

4000𝐹 𝜋𝐷²

F : effort a la rupture (KN) D :le diamètre de l’éprouvette (m)

Résistance à la compression (Mpa)

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

5

8

10

% MK

Figure 23 évolution de la résistance à compression simple en foonction de la teneur en MK E/L=0,45 ; [NaOH]=5M La Figure 23 présente la résistance à la compression des matériaux consolidés. Nous remarquons une augmentation de la résistance à la compression de 0% à 5%MK et une diminution de la réaction de 5% à 10% MK. Ces résultats montrent que le métakaolin augmente la résistance mécanique du géopolymère jusqu’à une certaine valeur. Lorsqu’on augmente la quantité de MK (≥ 5%), la réaction à la compression diminue avec la teneur en MK.

33

Ainsi donc pour ces pâtes, le taux optimal de remplacement de la poudre de verre par le métakaolin pour lequel l’augmentation de la résistance mécanique est la plus importante est de 5%. Ce taux est de 11% pour les mortiers à base de ciment incorporant du métakaolin. (Khatib, Sabir et Wild 1996b). Ces auteurs présentent deux hypothèses : (1) Pour un fort taux, le métakaolin se disperse mal et il a tendance à s’agglomérer. Ainsi une bonne partie du MK ne serait pas accessible et ne réagirait pas. (2) Lorsque la teneur en MK augmente cela a pour conséquence d’augmenter la microporosité à l’intérieur du matériau. La présence de cette microporosité diminue fortement la tenue mécanique du matériau. 3.2.3 Etudes de la durabilité chimique des géopolymères 3.2.3.1 Evolution du pH de la solution d’immersion Les échantillons de géopolymère MK8 ont été immergés dans différentes solutions aqueuses. Nous avons procédé à la mesure du pH des solutions d’immersion pendant une semaine. Les résultats obtenus sont présentés à la Figure 24. L’on note une forte augmentation de la valeur du pH de 0 à 1 jour et une stabilisation de la valeur de pH à 12 pour toutes les solutions.

14 12 valeur de pH

10 8 6 4

acide

neutre

base

2 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Temps d'immersion (Jours)

Figure 24: graphe d'évolution du pH des solutions en fonctionne du temps

34

Cette forte augmentation du pH de la solution au cours des 24 premières heures pourraient s’expliquer par la présence des ions OH- à la surface du géopolymère qui sont libérés en solution. La stabilisation du pH à la valeur de 12 est conséquente à un effet de saturation de la solution d’immersion par les ions OH-. Ces résultats pourraient également s’expliquer par la présence d’espèces basique n’ayant pas réagi ou d’espèces particulièrement solubles En effet, durant le processus de géopolymérisation, l’aluminium passe en coordinence 4 afin de former des espèces de types (Al(OH)4) - compensées par les éléments alcalins (Aly, et al. 2008). Si la géopolymérisation est incomplète, un excès de Na+ peut se former à la surface des pores et entraîner l’apparition d’un sel. Celui-ci réagit rapidement avec le CO2 atmosphérique pour former des espèces carbonatées. 3.2.3.2 Conductivité La conductivité de la solution d’immersion a été suivie dans le temps et la Figure 25 donne l’évolution de la conductivité en fonction du temps d’immersion des MK5 dans les différentes solutions. Pour un temps d’immersion donné, la conductivité de la solution basique est supérieure à la conductivité de la solution acide qui est supérieure à celle de la solution neutre. Pour une solution donnée l’évolution de la conductivité se fait en 2 étapes : •

Une forte augmentation à 1 jour, correspondant au relargage des ions OH- de géopolymère en solution.

•

Une augmentation faible de 1 à 7 jours qui serait due au passage des espèces silicates et des aluninosilicates en solution. En effet, la matrice de verre est connue pour sa dégradation en milieu basique par la formation d’espèces siliceuses en solution.

35

16000

CONDUCTIVITE (µs/cm)

14000

12000 10000 8000 6000 acide

4000

neutre

base

2000 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Duré d'immersion (Jours) Figure 25: Variation de la conductivité électrique des solutions aqueuses 3.2.3.3 État de surface des matériaux Des échantillons MK8 ont été immergés pendant 7 jours dans les solutions aqueuses puis retirés et laissés sécher à la température ambiante. Nous les avons observés ensuite au microscope optique afin de voir l’état de surface de ces matériaux. 3.2.3.3.1 Cas de MK8 en solution neutre et basique Après immersion en solution neutre et basique du MK5, les matériaux ne présentent aucune fissure visible à l’aide du microscope optique. La Figure 26 montre l’état de surface des matériaux avant et après leur immersion.

36

avant immersion

après immersion en solution basique

après immersion en solution neutre Figure 26: Images au microscope optique de MK5 avant et après immersion pendant 7 jours Ces matériaux n’ont subi aucune détérioration au niveau de leur surface. 3.2.3.3.2 Cas de MK8 en solution acide Après 7 jours d’immersion de MK5 dans la solution d’acide chlorhydrique, l’on observe des fissures sur le matériau comme l’indique la Figure 27. La solution acide a un effet de dégradation des géopolymères.

37

Figure 27: effet de l'acide sur le géopolymère

38

CONCLUSION Ce présent travail avait pour objectif d’étudier les propriétés physico-chimiques d’un liant minéral élaboré à partir des déchets de verre et des argiles de Côte d’Ivoire. L’argile qui a fait l’objet de nos expériences a été prélevée à Yaou, localité au Sud-Est de la Cote d’Ivoire. Plusieurs techniques ont été utilisées pour la caractériser. Les résultats de ces analyses montrent qu’avec l’ICP l’argile de Yaou est riche en silice (61,84%), en alumine (18,03%) et en oxyde ferrique (16,71%). Cependant l’argile contient de petite quantité de K2O, Na2O et de TiO2. Cette composition de l’argile lui confère la possibilité d’être utilisée pour la formulation de géopolymères. L’analyse granulométrique de l’argile montre que l’argile de Yaou est principalement constituée de particules fines. Avec une surface spécifique de 41,6053 m2/g, cette argile développe une forte activité pouzzolanique. Quant au verre les analyses chimiques ont montré que le verre mixte contient majoritairement trois oxydes la silice (73%), l’oxyde de soduium (13,67%) et l’oxyde de calcium (8,99%). Donc ce verre appartient au groupe des verres sodocalciques. La quantité importante de l’oxyde de calcium participe à la durabilité chimique des matériaux. Les géopolymères issus de l’activation du métakaolin (MK) et de la poudre de verre par la soude (5M) incorporant différentes quantités de MK ont été synthétisés et les résultats de la résistance à la compression indiquent une valeur optimale de MK de 5%. Ces matériaux sont chimiquement stables en solution neutre et basique mais présentent des microfissures en milieu acide. Ces résultats constituent des données pour la valorisation des déchets de verres et d’argile de Cote d’Ivoire dans le domaine des matériaux de construction. La production de ces matériaux à l’échelle industrielle peut contribuer à faire baisser considérablement le coût des matériaux de construction sur le territoire national et même dans la sous-région. En perspective, une étude approfondie de la microstructure par le MEB, de la conductivité thermique, des essais mécaniques et de la rhéologie de ces liants doit être menée afin de proposer des formulations optimisées et appropriées aux argiles ivoiriennes très riches en fer. Les formulations doivent prendre en compte d’autres types de verres par des méthodes minutieuses de caractérisations de matériaux. La mise au point de formulations convenables 39

permettra ainsi d’assurer une diversité de liants améliorés et de moindre coût produits de façon industrielle en Côte d’Ivoire.

40

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