FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DES GEOSCIENCES B.P : 190 Kinshasa XI

CONCEPTION D’UN CIMENT POUZZOLANIQUE A

BASE DU BASALTE DE NYIRAGONGO

CIRHALWIRWA AGANZE Lambert

MUKUNA KUETO Elie

Gradués en sciences

Mémoire   présenté    et  défendu    en   vue    de

l’obtention du titre de Licencié en Sciences.

Option : Génie Géologique

Orientation : Géotechnique et Hydrogéologie

Directeur : Prof. Dr.-Ing N’ZAU UMBA-DI-MBUDI Clément

Encadreur : Physicien MAX Seke Vangu

ANNEE ACADEMIQUE 2018 - 2019

EPIGRAPHE (I)

« En réalité le ciment Portland n’est que la synthèse d’un géomatériau, le

recours aux géomatériaux s’imposera pour la cause environnementale. » Max Seke Vangu

EPIGRAPHE (II)

« Faites le premier pas avec foi, vous n’avez pas à avoir tout l’escalier, juste la première marche »

Martin Luther King

DEDICACE (I)

C’est avec l’aide de Dieu que nous avons pu réaliser ce travail que je dédie :

A mes parents, tantes et oncles dont les soutiens et les encouragements ont permis à ce travail de voir le jour ;

A mes chers frères et sœurs pour leur affection ; A mes ami(e)s pour leurs encouragements ;

A toutes les personnes qui me sont chères ;

CIRHALWIRWA AGANZE Lambert

DEDICACE (II)

A mes parents : KWETO MIHOHO Maximilien et BIONGO SHESHI Sophie

A mon beau-frère, le professeur Dr. LEBWAZE MASSAMBA Bienvenu et ma grande-sœur, Me. HWAHELE KWETO florence pour vos soutiens, encouragements tant moraux, spirituels que matériels ininterrompus.

Je dédie ce travail.

Elie MUKUNA

REMERCIEMENTS (I)

Nous tenons à remercier vivement le directeur de ce travail, le Professeur Dr.- Ing. N’ZAU UMBA-DI-MBUDI Clément pour les orientations et les conseils judicieux qu’il n'a cessé de nous prodiguer. Ces derniers nous ont été d'un grand soutien tout au long de l’élaboration de ce travail.

Nos remerciements s’adressent à tous les Professeurs, Chefs des travaux et Assistants du département des Géosciences en général et à ceux de Géotechnique et Hydrogéologie en particulier.

Également un grand merci à l’assistant MAX SEKE VANGU qui n'a ménagé ni son temps ni ses efforts contribuant de la manière la plus efficace à la réalisation de ce travail.

Merci  à  mes  parents,  grands-pères,  grands-mères,  oncles,  tantes,  frères, sœurs et ami(e)s pour leur soutien moral, matériel et financier tout au long de mes études.

Et enfin, merci à toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à

l’élaboration de cet ouvrage.

CIRHALWIRWA AGANZE Lambert

REMERCIEMENTS (II)

Après des efforts consentis de façon assidue, nous sommes à la fin de notre deuxième cycle en géologie à l’université de Kinshasa.

Ainsi pour bien commencer ce travail, nous commençons par remercier l’éternel Dieu tout puissant, qui nous a doté de la volonté, de la persévérance, de l’intelligence et de l’assiduité tout au long de notre parcours universitaire.

Que les autorités académiques de l’université de Kinshasa, de la faculté des sciences, du département des géosciences, du Centre de Recherche de l’Energie Nucléaire de Kinshasa, de la Cimenterie de LUKALA, de Laboratoire de Génie Civile soient sincèrement remerciées pour leur dévouement dans notre formation et encadrement.

Nous remercions énormément le professeur Dr. ing N’ZAU UMBA-DI-MBUDI clément   qui, en dépit de ses multiples charges et occupations, a accepté d’assurer la direction de ce travail.

A    Monsieur   l’assistant   MAX   SEKE   VANGU,   qui   par   ses   inspirations, ses motivations, nous a apporté une énorme touche en vue de présenter un travail digne de fin de notre deuxième cycle, qu’il trouve ici nos sincères remerciements.

Nous adressons nos remerciements à tous les professeurs, plus particulièrement au professeur Dr. Adalbert MAKUTU MA NGWAYAYA, aux chefs de Travaux, assistants et aux autorités facultaires qui, tout au long de notre cursus, nous ont transmis les enseignements de qualité et nous ont permis d’acquérir une formation adéquate en géologie.

Mon coéquipier de lutte, un ami, un frère, CIRHALWIRWA AGANZE Lambert par son courage et ses prérequis, a donné un coup de pouce à ce présent travail, qu’il trouve ici le partage de nos sentiments.

A  mes  frères  et  sœurs :  Angélique  KWETO,  Abel  KWETO,  Mbuta  KWETO, Florence KWETO, Cécile KWETO, Donat KWETO, Max NDOMAY, Nénette KWETO, Prosper KWETO, Credo KWETO, Gabriel KEPI, Max MAHEMENE, Jonathan MAHEMENE, José TSHIBOLA, nous vous remercions pour votre bravoure et vos prières sans cesse. Ensemble nous sommes un seul corps !

A nos belles-sœurs et beaux-frères : Professeur Dr. Bienvenu LEBWAZE, Me. Tshalu PIERROT, Ir. Franick NGIMBI, dive CARINE, brunette MAX pour vos conseils et encouragements.

Nos remerciements cordiaux à nos ami(e)s, camarades et compagnons de lutte : Lambert AGANZE, Vincent NONGO, Gracia MUKENDI, Jojo SUMBULA, Aron NGOYI, Léonard  MABIALA, Bedel MAKAMA.

A tous ceux qui ne sont pas cités, qu’ils trouvent ici l’expression de notre

gratitude.

Elie MUKUNA

LISTE DES FIGURES

Fig. 1. Engin assurant le transport des matières premières vers l’usine

Fig. 2. Les lignes de fabrication du ciment Fig. 3. Les voies de fabrication du ciment Fig. 4. Concasseur à mâchoire

Fig. 5. Le concasseur à percussion ou à marteaux

Fig. 6. Le gravillonneur giratoire Fig. 7. Concasseur à cylindre Fig. 8. Pré-Homogénéisation Fig. 9. Broyeur

Fig. 10. Echangeur à cyclone

Fig. 11. Four

Fig. 12. Allure des phases cristallochimiques dans la résistance du ciment

Fig. 13. Le clinker.

Fig. 14. Les anhydres, les hydrates et les polymorphes du clinker. Fig. 15. Origine des matériaux Pouzzolaniques

Fig. 16. Cartographie de stations. Fig. 17. Le basalte

Fig. 18. Microscopie par lames minces de Basalte.

Fig.  19.  Essai  Los  Angeles sur  concassé  Basalte-Goma au  laboratoire de polytechnique-Unikin

Fig. 20. Diagramme d’étude d’altérabilité des roches

Fig. 21. chématisation de la diffraction par un monocristal

Fig. 22. Représentation d’un diagramme de poudre constitué de quelques

raies (obtenues par Projection des cônes de diffraction). Fig. 23. Diffractomètre à protons

Fig. 24. Schéma technologie de spectroscopie-X WD Fig. 25. Schéma technologie de spectroscopie-X ED. Fig. 26. Spectromètre ED-XRF Xepos III

Fig. 27. Spectrométrie de fluorescence X Fig. 28. Echantillon en perle fondue.

Fig. 29. Deux perles fondues et une pastille. Fig. 30. Cure humide de mortiers.

Fig. 31. Allure du degré d’hydratation en fonction de la température dans le

temps

Fig. 32. L’évolution de la compression, dans les matériaux cimentaires, en

fonction de la température.

Fig. 33. L’évolution de la porosité, dans les matériaux cimentaires, en fonction de la température.

Fig. 34. Allure en histogramme des résistances en compression des mortiers

100-0 et 75-25 jusqu’au 28ème jour

Fig. 35. Allure en histogramme d’indice de pouzzolanicité jusqu’au 28ème jour Fig. 36. Temps de début de prise et de fin prise du ciment 100%-Basalte 0% Fig. 37. Temps de début de prise et de fin prise du ciment 95%-Basalte 5%

Fig. 38.  Allure en histogramme des temps de prise des mortiers 100-0, 95-5,

90-10, 85-15 et 80-20

Fig. 39. Aiguille Lechâtelier.

Fig. 40. Armoire humide ou chambre de climatisation/Cilu

Fig. 41. Allure du modele mathematique de MENAD MOHAMED qui predit les

resistances à la compression des mortiers allant jusqu’à 28 jours

Fig.    42.    Diagramme     de    l’analyse     chimique    des     éléments    majeurs de metabasalte, basalte, granite et syenite

Fig. 43. Diagramme de l’analyse chimique des éléments traces metabasalte,

basalte, granite et syenite

Fig. 44. Diagramme des CaO – MgO – SiO2+Al203+Fe2O3  de metabasalte, basalte, granite et syenite

Fig. 45. Diagramme de la somme de trois premiers Oxydes : SiO2+Al203+Fe2O3

de metabasalte, basalte, granite et syenite

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1. Teneur moyenne des éléments chimiques dans le basalte Tableau 2. Principales phases du ciment portland et leurs caractéristiques Tableau 3. Composition chimique du ciment portland

Tableau   4.    Composition   minéralogique    moyenne   des    ciments    (en    %

massique) ciments Portland.

Tableau 5. Type de ciments et domaines d’application selon EN 197-1 (4) Tableau 6. Classes de résistance (EN 197-1 (4)

Tableau 7. La composition des pouzzolanes naturelles

Tableau 8. Coordonnées géographiques de différentes Stations Tableau 9. Granulats – Essai Los Angeles, 1990, AFNOR, NF P 18-57. Tableau 10. Essai Los Angeles sur concassé Basalte-Goma

Tableau 11. Résistance des Roches.

Tableau 12. Charge de rupture sur différents échantillons de Basalte-Goma au laboratoire Polytechnique-Unikin.

Tableau 13. Résistance à la compression du Basalte-Goma au laboratoire

Polytechnique-Unikin.

Tableau 14. Analyse chimique du basalte par Fluorescence X / Cilu

Tableau 15. Analyse chimique du basalte par Fluorescence X / Cren-K à titre comparatif du Métabasalte, Basalte, Granite et syénite

Tableau 16. Taille et population dans le sable standard.

Tableau 17. Analyse par fluorescence-X du clinker, du gypse, du basalte ainsi que du ciment résultant.

Tableau 18. Formulation Mortier-Témoin et Mortier avec substitution. Tableau 19. Temps limite des essais de résistance à différents âges Tableau 20. Ecrasement de mortiers basalte 100-0, 95-5 ,90-10 et 80-20. Tableau 21. Ecrasement de mortiers basalte 100-0 et 75-25.

Tableau 22. Ecrasement de mortiers basalte 100-0, 95-5 ,90-10 et 80-20.

Tableau 23. Résultat d’indice de pouzzolanicité des écrasements de mortiers

basalte 100-0 et 75-25.

Tableau 24. Temps de début de prise T1 et de fin prise T2 du ciment avec poudre basaltique de Goma.

Tableau 25. Valeurs maximales et minimales des paramètres du modèle pour la résistance du mortier (modèle de MENAD MOHAMED).

Tableau 26. Analyse chimique de Metabasalte, Basalte, Granite et Syénite Tableau  27.  Analyse  chimique  par  spectroscopie-x  ED-XRF  et  WD-XRF : sommes des alcalis

Tableau 28. Résistance à la compression et la flexion

ABREVIATION

ASTM : American Society for Testing and Materials

Bslt : Basalte

°C : degré Celsius

CEM : Ciment (Cement) Cm : Centimètre

CSH : Silicate de Calcium Hydraté

DRF : Diffraction aux rayons X E : Eau

EN : Norme Européenne

FCE : Classe vraie du ciment gr : Gramme

Kg : Kilogramme l : Litre

LA : Los Angeles

MA : Module d’Alumine

MEB : Microscopie Electronique à Balayage

MC : Module de Chaux mm : Millimètre

MS : Module de Silice

MPa : Méga Pascal

N : Normal

NE : Nord-Est

NF : Norme Francaise NNW : Nord Nord Ouest SE : Sud-Est

SW : Sud- Ouest

RESUME

Ce travail porte sur la réduction des émissions du dioxyde de carbone lors de la fabrication du ciment au moyen d’une roche pouzzolanique (le basalte de Goma) par substitution du ciment jusqu’à 25% tout en préservant l’aspect performantiel du liant résultant. Un regard sur la prise de la pâte ainsi que sur l’évolution des résistances des mortiers résultants était inéluctablement concluant.

ABSTRACT

This work is summed up in the reduction of Carbone dioxide emissions during the manufacture of cement using a pozzolanic rock (Goma basalt) by substituting cement up to 25% while preserving the performance aspect to the binder resulting.

A look at the setting of the paste as well as the evolution of the resistances of the resulting mortars was ineluctably conclusive.

Table des matières

EPIGRAPHE (I) ................................................................................................................. i EPIGRAPHE (II) ............................................................................................................... ii DEDICACE (I).................................................................................................................iii DEDICACE (II) ............................................................................................................... iv REMERCIEMENTS (I)....................................................................................................... v REMERCIEMENTS (II)..................................................................................................... vi LISTE DES FIGURES .......................................................................................................viii LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................... x ABREVIATION................................................................................................................ xi RESUME..........................................................................................................................xii ABSTRACT..................................................................................................................... xiii

0.     INTRODUCTION GENERALE ................................................................................. 1

0.1.       Problématique ............................................................................................. 1

0.2.       Délimitation du sujet ................................................................................... 2

0.3.       Méthodes et techniques utilisées ............................................................. 2

0.4.       Subdivision du travail .................................................................................. 3

Chapitre I. GENERALITES SUR LES BASALTES ............................................................. 4

I.1. Définition ............................................................................................................. 4

I.2. Caractéristiques physiques .............................................................................. 4

I.3. Texture ................................................................................................................. 4

I.4. Composition chimique...................................................................................... 4

I.5. Composition minéralogique ............................................................................ 4

I.6. Classification des basaltes ............................................................................... 5

I.6.1. La basanite .................................................................................................. 5

I.6.2. Le basalte alcalin à olivine ....................................................................... 5

I.6.3. Le basalte tholéiitique ............................................................................... 5

I.7. Contexte géologique du basalte de Nyiragongo ...................................... 6

I.7.1. Cadre structurale et tectonique .............................................................. 6

I.7.2. Volcanisme.................................................................................................. 7

Chapitre II. LE CIMENT ET LA POUZZOLANICITE ........................................................ 8

II.1. Introduction sur le ciment ................................................................................ 8

II.1.1. Définition ..................................................................................................... 8

II.1.2. Historique..................................................................................................... 8

II.2. Fabrication du Ciment (EN 197-1) .................................................................. 9

II.2.1. Extraction .................................................................................................... 9

II.2.2. Les lignes de fabrication de ciment ....................................................... 9

II.2.3. Les voies de fabrication du ciment ......................................................10

II.2.4. Fragmentation .........................................................................................11

II.2.5. Types de concasseur ..............................................................................12

II.2.6. Pré-Homogénéisation .............................................................................15

II.2.8. Pré-calcination.........................................................................................17

II.2.9. Four ............................................................................................................18

II.2.10. Le clinker .................................................................................................22

II.2.11. Dosage ....................................................................................................23

II.2.12. La Chimie des Cimentiers.....................................................................24

II.2.13. Propriétés du ciment [CILU] .................................................................25

II.2.14. Caractéristiques des ciments NF EN 196-1.........................................26

II.2.15. Classification et spécification des ciments .......................................33

II.2.16. Hydratation des ciments ......................................................................34

II.2.17. Conséquence de l’hydratation .......................................................... 35

II.3. LA POUZZOLANICITE ........................................................................................36

II.3.1. La Pouzzolane dans les temps ............................................................... 36

II.3.2. Organigramme ........................................................................................36

II.3.3. Matériaux à propriété Pouzzolanique ..................................................37

II.3.4. L’activité pouzzolanique ........................................................................39

II.3.5. Réaction Pouzzolanique.........................................................................40

II.3.6. Produits de la réaction pouzzolanique ................................................40

II.3.7. Condition de pouzzolanicité et indice de pouzzolanicité ................41

II.3.8. Effet de la pouzzolane ............................................................................42

Chapitre III. RESULTATS D’ANALYSES ET ESSAIS AU LABORATOIRE........................44

III.1. Matériaux de substitution du clinker ........................................................... 44

III.2. Analyses et essais sur la roche .....................................................................46

III.2.1. la macroscopie .......................................................................................46

III.2.2. Microscopie ............................................................................................. 47 o         Lame mince CM .......................................................................................47

III.2.3. Essai Los Angeles [EN 1097-2] ................................................................ 47

III.2.4. Altération des roches magmatiques (volcanique). .......................... 49

III.2.5. Essais à la compression uni-axiale (Résistance à la Compression) .50

III.2.6. Analyse par diffraction aux rayons X (XRD) ........................................52

III.2.7. Analyse par fluorescence aux rayons X..............................................54

III.2.8. Confection de briquettes destinées aux essais de contrôle-qualité du ciment (NF EN 196-1). ..................................................................................65

III.2.9. Essai de prise de la pâte de ciment (NF EN 196-3)............................ 74

III.2.10. Essai d’expansion - Stabilité. [Le Chatelier] ......................................77

III.2.11. Prediction de resistance et modele mathematique de MENAD MOHAMED..........................................................................................................79

Chapitre IV. DISCUSSION ET INTERPRETATION DES RESULTATS .............................. 81

CONCLUSION..............................................................................................................86

BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................87

0.  INTRODUCTION GENERALE

0.1.    Problématique

Le développement des infrastructures du génie civil (routes, ouvrage d’art, pont, bâtiment, etc) constitue une composante essentielle de la puissance économique d’un pays. Les matériaux cimentaires sont les plus utilisés dans ce domaine grâce à leurs propriétés mécaniques et aux faibles couts de fabrication par rapport à d’autres matériaux de construction.

Le constat est que sur le marché, le prix du ciment est élevé surtout dans la partie Est de la République Démocratique du Congo.