Bonjour, nous sommes le 24/06/2024 et il est 01 h 24.





[1]

 
UNIVERSITE DE KINSHASA

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

lobtention du titre de Licenc en Sciences.

 

 

Option : Génie ologique

Orientation : otechnique et Hydroologie

 

 

 

 

Directeur : Prof. Dr.-Ing NZAU UMBA-DI-MBUDI Clément

Encadreur : Physicien MAX Seke Vangu

 

 

 

 

 

 

 

ANNEE ACADEMIQUE 2018 - 2019


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EPIGRAPHE (I)

 

« En alité le ciment Portland n’est que la synthèse dun omatériau, le

recours aux omatériaux 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 laide 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 lélaboration de ce travail.

 

 

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

 

 

Également un grand merci à lassistant MAX SEKE VANGU qui n'a ména 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

lélaboration 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 ologie 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 lassiduité tout au long de notre parcours universitaire.

 

 

Que les autorités académiques de l’université de Kinshasa, de la faculté des sciences, du département des osciences, 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 dassurer la direction de ce travail.

 

 

A    Monsieu lassistan MAX   SEK VANGU,   qui   pa 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 dacquérir une formation adéquate en géologie.

 

 

Mon coéquipier de lutte, un ami, un fre, 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, Jo 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, onard  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 lusine

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-Homonéisation Fig. 9. Broyeur

Fig. 10. Echangeur à cyclone

Fig. 11. Four

Fig. 12. Allure des phases cristallochimiques dans la sistance 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 détude daltérabilité des roches

Fig. 21. cmatisation 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. Scma 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. Lévolution 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 jusquau 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    lanalyse     chimique    des     éléments    majeurs de metabasalte, basalte, granite et syenite

Fig. 43. Diagramme de lanalyse 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 dapplication selon EN 197-1 (4) Tableau 6. Classes de résistance (EN 197-1 (4)

Tableau 7. La composition des pouzzolanes naturelles

Tableau 8. Coordonnées ographiques 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 sultant.

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 dAlumine

MEB : Microscopie Electronique à Balayage

MC : Module de Chaux mm : Millitre

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 duction des émissions du dioxyde de carbone lors de la fabrication du ciment au moyen dune roche pouzzolanique (le basalte de Goma) par substitution du ciment jusqu’à 25% tout en préservant laspect 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. finition ............................................................................................................. 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 te 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 dart, pont, bâtiment, etc) constitue une composante essentielle de la puissance économique d’un pays. Les matériaux cimentaires sont les plus utilisés dans ce domaine gce à leurs propriétés mécaniques et aux faibles couts de fabrication par rapport à dautres 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.

 

 

Par  ailleurs, selon  certaines  études  déjà  menées,  dans  la  fabrication  du ciment, il y a génération (émission) des gaz qui influent sur la qualité de l’environnement : une tonne de ciment fabriq génère environ une tonne de CO2. Il est responsable d’environ 5% des émissions de ces gaz sur la plate.  Doù  la  nécessité  de  prendre  cette  situation  au  sérieux  car  le ciment est appelé à jouer un rôle de plus en plus important dans le développement et le maintien de lactivité humaine.

 

 

Durant la fabrication du ciment, la décarbonatation du calcaire demeure encore  un  vrai  souci  environnemental  dans  la  production  du  ciment portland à base  du calcaire  (calcite),  et s’il  faut ajouter le  combustible fossile nécessaire pour lalimentation du four à cet effet.

Suivant l’équation :

CaCO3 ------------» CaO + CO2

 

 

Mm(CaCO3) = 40+12+(16X3) = 100 Kg/kmol

Mm(CaO) = 40+16 = 56 Kg/kmol

Mm(C02) = 12+(16X2) = 44 Kg/kmol

CaCO3 (1000 Kg/kmol) -------------» CaO (560 Kg/kmol) + C02 (440 Kg/kmol)

 

 

Constatons que pour une base de 100% de Carbonate de Calcium utilisé dans la production de la chaux, 44% en masse sont jetés dans latmosphère sans  prendre  en  compte  le  dioxyde  de  carbone  qui  émane  de  la combustion du combustible fossile au four à cet effet.

La combustion du combustible fossile pour arriver à la clinkérisation requiert aussi pour une tonne de matériaux, 130kg de combustible fossile ce qui génère 465kg de CO2.


 

 

Sur ce, l’utilisation des résidus industriels cupérés et recyclés, le gisement des ressources naturelles telles que la pouzzolane, le basalte (duit en poudre),  comme  produits  de  substitution  partielle  du  ciment  portland permet la réduction des émissions des gaz à effet de serre et conduit à la fabrication d’un ciment non polluant sur le plan environnemental.

 

 

C’est dans cette optique que la recherche dun liant écologique et économique nous a inspiré sur le tme de ce travail. L’objectif de cette étude est de contribuer à la résolution des problèmes se posant sur le plan économique et la pollution environnementale mais aussi sur lutilisation rationnelle et économique des matériaux locaux. Dans ce travail, nous mettons en évidence les éventuels effets bénéfiques des ajouts cimentaires.

 

 

0.2.    Délimitation du sujet

 

 

Connaissant les effets sur l’environnement des processus de la fabrication de ciment, ce travail a été fait dans le sens de la duction des émissions de CO2 en substituant une quantité (25%) de clinker par la même quantité de la poudre d’une roche volcanique tout en préservant les caractéristiques de ce ciment.

Ici, la roche utilisée pour la substitution du ciment est le Basalte de Goma.

 

 

0.3.    Méthodes et techniques utilisées

 

 

Pendant la alisation de ce travail, nous avons fait la revue de la littérature en consultant les articles, ouvrages dans les bibliothèques et internet, ainsi que différents essais et analyses dans des laboratoires.

 

 

A. Étape de terrain :

o Échantillonnage

o Description macroscopique

o Les matériels utilisés sont :

-    Un marteau de ologue ;

-    Une masse et des burins ;

-    Un GPS ;

-    Un carnet de terrain et stylos et des crayons ;

 

 

B. En laboratoire, cette étape a consisté en : o Lélaboration des différentes cartes ; o La microscopie des lames minces


 

 

o Les matériels utilisés sont :

-    Un ordinateur portable ;

-    Logiciels de traitement de données de terrain ;

-    Un microscope optique polarisant ;

o Essais et analyses en différents laboratoire :

-    Essai Los Angeles

-    Essais RC

-    ochimie

-    XRF

-    DRX

-    Analyse sur contrôle-qualité su ciment

 

 

0.4.    Subdivision du travail

 

 

Afin  d'atteindre  les  objectifs  nous  assignés,  excepté  l'introduction  et  la conclusion générale, ce travail comprend quatre chapitres à savoir :

o Le premier présente des généralités sur le basalte;

o Le    second    décrit    des    aspects    généraux    sur    le    ciment    et    la pouzzolanicité;

o Le  troisième  présente  les  différents  sultats  de  tous  les  essais  et analyses effectués au laboratoire ; et

o Le quatrième concerne les interprétations des sultats.


 

 

Chapitre I. GENERALITES SUR LES BASALTES I.1. Définition

Le terme basalte a été utili par Pline l'Ancien pour décrire une roche « noire et dure » d'Éthiopie « quem vocant basaltem », ce qui rend plausible la dérivation à partir de l'adjectif basalte, qui signifie cuit, en éthiopien ancien (CARRON, 1979).

 

 

Le basalte est une roche volcanique issue d’un magma qui s’est rapidement refroidi au contact de lair ou de l’eau. C’est la roche volcanique la plus abondante  en  termes  de  volume  à  la  surface  de  notre  plate,  le constituant  principal  de  la  couche  supérieure  de  la  croûte  océanique environ 60% de la surface terrestre, qui s’étend sur une profondeur moyenne de 30 km (NDRAINA, 2014).

 

 

I.2. Caractéristiques physiques

 

 

Le basalte est une roche magmatique, effusive de couleur sombre, daspect compact et de dureté variable selon le degré de cristallisation, lourde d’une densité voisine de 3 et difficile à casser. Quelques minéraux sont visibles à l’œil nu (NDRAINA, 2014).

 

 

I.3. Texture

Le basalte est une roche de texture microlitique, parfois microlitique porphyrique voire hyaloporphyrique.

 

 

I.4. Composition chimique

Du point de vue ochimique, la composition des basaltes est assez constante : elle est caractérisée par des teneurs élevées en fer, magnésium et calcium.

Le tableau 1 donne la composition chimique moyenne des basaltes.

 

 

Tableau 1. Teneur moyenne des éléments chimiques dans le basalte(NDRAINA, 2014)

 

Elément en %

SiO2

Al2O3

FeO/Fe2O3

MnO

MgO

CaO

Na2O

K2O

TiO2

Basalte

49.20

15.74

10.92

0.20

9

11

2.91

1.10

1.84

 

 

I.5. Composition minéralogique

 

 

Les principaux minéraux rencontrés dans le basalte sont:


 

 

o Les plagioclases (50%) ;

o Les pyroxènes (25 à 40%) ;

o Les olivines (10 à25%) ;

o Les magnétites (2 à 3%).

 

 

I.6. Classification des basaltes

 

 

Les basaltes se classent par leur taux de saturation en silice.

Lorsque le basalte n'atteint pas le plan de saturation de la silice, de la néphéline [SiAlO4]Na est exprimée. C'est le domaine des basanites, et, à l'approche du plan de saturation, celui du basalte alcalin à olivines. Au-delà du plan de saturation, c'est le domaine tholéiitique, avec le basalte tholéiitique à olivine, si le quartz n'est pas exprimé, et la tholéiite à quartz si le quartz est exprimé sur le plan normatif.

 

 

On peut les classer également en fonction de l’indice de différenciation.

o DI < 25 : Ankaratrites

o 25 < DI < 35 : Basanites et Basalte alcalin à olivine.

Ce qui les différentie c’est la teneur en néphéline normative qui est supérieure à 5% pour les Basanites et inférieure ou égale à 5% pour les Basaltes alcalins à olivine (KANIKA, 2016).

 

 

I.6.1. La basanite

 

 

La basanite est caractéristique du volcanisme intraplaques ponctuel et de faible volume.

 

 

I.6.2. Le basalte alcalin à olivine

 

 

On trouve le basalte alcalin à olivine dans le volcanisme intraplaques océanique et continental lorsque celui-ci est de faible volume.

 

 

I.6.3. Le basalte tholéiitique

 

 

Le basalte tholéiitique (ou olivine tholéiite, ou tholéiite à olivine) constitue les fonds océaniques. Il se trouve également dans le volcanisme intraplaques océanique   e continental Il    contien un    orthopyroxène   normatif : l’hypersthène (non exprimé).


 

 

I.7. Contexte géologique du basalte de Nyiragongo

 

 

Au laboratoire nous avons utilisé le basalte en provenance de la province du

Nord-Kivu, dans la partie Est de la République Démocratique du Congo.

 

 

Lhistoire géologique de la province du Nord Kivu est dominée par un certain nombre des traits caractérisant ainsi sa constitution lithostratigraphique, sa structure, les roches qui la constituent, sa minéralisation et son volcanisme.

 

 

Cette histoire montre à partir des études faites jusqu’à ce jour qu’elle est dominée au début par des phénomènes des plissements attribués aux orogénèses Ruzizienne et Urundienne dâge précambrien. Les plissements Urundiens ont été accompagnés ou suivis de l’intrusion des granites qui ont donné lieu à la minéralisation aurifère, stannifère, colombo tantalifère et wolframifère.

 

 

Depuis ces plissements anciens, la région du Kivu n’a plus subi que des dislocations à grand rayon de courbure amenant de flexures et de fractures, ainsi  que  des  ondulations  largement ouvertes.  Certaines  fractures  de  la partie occidentale de la gion étant dâge ante-Karoo, donc antérieures au Carbonifère supérieur, les plus anciennes se seraient produites lors de lorogénèse Kundelunguienne de Stanley ville et du Katanga, cette gion a subi le contrecoup de ces plissements sous forme de fracture.

 

 

I.7.1. Cadre structurale et tectonique

 

 

La province du Nord Kivu regorge un volcanisme appartenant au type intraplaque continentale l au Rift Est Africain dont la genèse remonte au Cénozoïque (il y a 65 Ma).

 

 

Ce rift possède deux branches dont lune, orientale allant du golfe d'Aden dans la dépression de l'Afar au Nord en passant par l'Ethiopie et le Kenya jusqu'à la divergence Nord Tanzanienne, et lautre occidentale qui part du lac Albert et se poursuit au Nord jusqu'au Sud de Mozambique.

 

 

Nyiragongo  (chaînes  des  Virunga)  est  localisé  généralement  dans  la branche occidentale et particulièrement dans la province du Nord Kivu contenant des couches des groupes Urundi- Ruzizi qui ont été soumises à deux orogenèses (Urundienne et Ruzizienne) et mettant en évidence trois directions  structurales  qui  sont  NE-SW,  N-S,  NW-SE  définissant  des  bassins


 

 

asymétriques d'environ 100 km de long, segmentés en échelon et reliés par des failles de transfert (UNEGA, 2015).

 

 

Ces bassins sont bordés par des failles qui sont généralement normales ou subverticales, plus ou moins parallèles à laxe principal du rift permettant l’épanchement des laves alcalines sodiques et les laves transitionnelles ou encore transverses à cet axe favorisant la mise en place d'un volcanisme ultra-alcalin.

Les flexures et les failles radiales constituent des traits tectoniques dominants découpant la gion en une série de compartiments des différents niveaux et la transformant en une série de Horst et de Grabens dans lesquelles se localisent les provinces volcaniques (Bukavu, Virunga, Toro-Ankole, etc.)

 

 

I.7.2. Volcanisme

 

 

Le volcanisme du Nord-Kivu est beaucoup plus concent dans la chaine volcanique des Virunga couvrant une superficie d’environ 4000 km2 et localisée entre 1° 30’S et 29° 30’E, et s’étendant le long du fossé d’effondrement sit à lEst l’Afrique.

 

 

Deux  cycles  volcaniques  ont  été  mis  en  évidence  dans  cette  gion

(ONGENDANGENDA, 1992) :

-    Un  cycle  initial,  oligo-miocène  (12  à  8  Ma),  matérialisé  par  des lambeaux de coulées basaltiques affleurant dans les régions de Mumba-Numbi, Moesso, Nord-Idjwi, Bishusha-Tongo. Ce cycle, essentiellement  fissural,  est  constit de  coulées  de  basaltes tholéitiques à olivine, sur lesquelles repose une série de laves alcalines sodiques allant des ankaratrites à des benmoreites ;

 

 

-    Un cycle récent à actuel (plio-pleistocène), qui correspond aux huit stratovolcans  formant la  chaine  de  Virunga  (Nyamulagira, Nyiragongo, Mikeno, Karisimbi, Sabinyo, Gahinga, Muhavura, Visoke).


 

 

Chapitre II. LE CIMENT ET LA POUZZOLANICITE II.1. Introduction sur le ciment

II.1.1. Définition

 

 

Le ciment (du latin caementum, signifiant pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec leau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable dagglomérer, en durcissant, des substances variées.

 

 

Le ciment est le liant le plus utili pour la fabrication du ton et du mortier (il représente alors entre 8 et 18 % de la masse totale du béton). Il se présente sous forme de poudre très fine qui mélangée à de l’eau forme une pâte plastique qui durcit progressivement à la suite de actions chimiques.

 

 

On classe par conséquent le ciment dans la famille des liants hydrauliques puisqu'il  fait  prise  en  présence  d'eau  (par  opposition  aux  liants hydrocarbonés comme le bitume). Après durcissement, cette pâte conserve sa résistance et sa stabilité, même sous leau.

 

 

II.1.2. Historique

 

 

Après avoir découvert la chaux grasse grâce aux Egyptiens, obtenue par cuisson de roches calcaires à une température proche de 1000°C, suivie d’une extinction avec de l’eau, les romains ont en fait véritablement du ciment en ajoutant à cette chaux de la pouzzolane (roche volcanique - provenant de Pouzzoles, dans la gion de Naples, en Italie - rougeâtre et poreuse, utilisée pour ses qualités d'isolant thermique dans la fabrication de ciments et d'agglomérés) (ADAM, 2008).

 

 

En 1824, l’écossais ASPDIN donne le nom de PORTLAND au ciment qu’il fabriquait et qui possède une teinte grise très proche de celle des pierres que l'on peut trouver dans l'île de Portland en Angleterre.

Sur le plan mondial, la première usine de ciment a été créée en 1846.


 

 

II.2. Fabrication du Ciment (EN 197-1) II.2.1. Extraction

Les  deux  principales  matières  premières  cessaires  à  la  fabrication  du

ciment Portland sont le calcaire (majoritairement compo de carbonate de calcium CaCO3) et largile (composée principalement d’un mélange complexe et souvent hydraté de silice (SiO2), d'alumine (Al2O3) et doxyde de fer (Fe2O3)). Elles sont généralement extraites des carrières à ciel ouvert situées à proximité de la cimenterie, transportées par un engin (Fig.1) puis fragmentés en très petites tailles (RANAIVONIARIVO, 2008).

Le   mélang (enviro 20 dargil e 80 d calcaire)   es ensuite

préhomogénéisé et nettoyé des impuretés contaminants.

 

 

Fig. 1. Engin assurant le transport des matières premières vers lusine

 

 

II.2.2. Les lignes de fabrication de ciment

 

 

La fabrication du ciment se fait selon un prodé continu, successivement et en parallèle selon les 3 lignes suivantes (Fig.2) :


 

 

 

La ligne de fabrication du ciment

 

 

 

 

 

 


La ligne de fabrication du Cru


 

La ligne de cuisson


 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2. Les lignes de fabrication du ciment

 

 

-    La ligne de fabrication du cru (depuis la carrière, la fragmentation, la pré-homogénéisation jusqu’au silo de stockage du cru)

-    La  ligne  de  cuisson  (commence  par  le  préchauffage  dans  les échangeurs à cyclone, lalimentation du four et se termine dans les silos de stockage du clinker)

-    La  ligne  de  fabrication  du  ciment  (le  dosage,  lalimentation  des

broyeurs microniseurs, silotage et/ou conditionnement du ciment).

 

 

II.2.3. Les voies de fabrication du ciment

 

 

La fabrication du ciment peut se faire suivant les voie ci-après (Fig.3) :

 

 

 

 

 

Fig. 3. Les voies de fabrication du ciment


 

 

II.2.3.1. La voie Humide

 

 

Le cru est transformé en une pâte fluide par adjonction d’eau (entre 30 et

40% d’eau) avant d’entrer dans le four, il s’agit de la technique la plus simple mais aussi de la plus consommatrice en énergie puisqu’il faut évaporer l’eau lors de la cuisson.

 

 

II.2.3.2. La voie Semi-sèche

 

 

Le cru est aggloméré en granules par humidification avant la cuisson

 

 

II.2.3.3. La voie Sèche

 

 

Le  cru  entre  dans  le  four  sous  forme  de  poudre,  cette  technique  est

aujourd’hui utilisée quasiment tout le temps car plus économe.

Le processus de cuisson ne variant qu’assez peu selon la voie utilisée, on se

concentrera sur la voie che qui est la plus utilisée.

 

 

Les fours utilisés pour lobtention du clinker (en anglais : scories) sont de forme cylindrique, ils tournent lentement à 2 ou 3 tours par minute et sont longs d’environ 100 mètres (leur longueur est plus importante si la voie humide est utilisée) et de diamètre environ 5 mètres. Ils sont légèrement inclinés par rapport à l'horizontale de telle sorte que le cru entre par la partie la plus haute du four. Le brûleur est sit au fond du four et produit une flamme à environ 2000 °C. Il s’établit un gradient thermique entre l’entrée du four et la sortie de celui-ci de 800 °C à 1500 °C environ.

 

 

Avant d’entrer dans le four, le cru sous forme de poudre traverse un échangeur de chaleur dans lequel circulent en sens inverse les gaz très chauds qui s’échappent du four. Le cru est donc préchauffé à une température d’environ 800 °C quand il atteint le début du four. La durée de séjour dans le four est d'environ une demi-heure.

 

 

II.2.4. Fragmentation

 

 

Les opérations de fragmentation, conduisent à duire les dimensions caractéristiques d'un matériau solide, elles peuvent avoir divers objectifs parmi lesquels on peut citer : faciliter le stockage, le transport, le triage, le mélange ou la dissolution, la activité chimique ...

 

 

Divers dénominations suivants la duction de taille :


 

 

o Débitage : la duction des gros blocs issus de mine ou de carrière en éléments de dimensions supérieures à 250 mm.

o Concassage : la duction des Roches et pierres de 250 mm environ à des granulats entre 50 et 7 mm.

o Granulation :  la  réduction  des  granulats  de  150  à  environ  à  des

agrégats d’entre 12 et 6.3 mm.

o Broyage : la réduction des  agrégats de 25  mm à  des  sables, tout venant, ou autres entre 6.3 et 0.2 mm.

o Pulvérisation : la production de particules inférieures à 0.2 mm.

o Micronisation : la réduction à des dimensions de l'ordre du micron.

o Défibrage : la fragmentation des matières fibreuses (bois, végétaux,

...).

o Déchiquetage : la réduction par hachage des matières flexibles.

o Découpage : le sciage ou  cisaillement pour obtenir des  fragments réguliers.

 

 

II.2.5. Types de concasseur

 

 

II.2.5.1. Concasseur à mâchoire

 

 

Il est constit par une mâchoire fixe et une mâchoire mobile animée d'un mouvement de va-et-vient autour d'un axe horizontal (Fig.4). Le produit à traiter est introduit à la partie supérieure de l'appareil.

 

 

Fig. 4. Concasseur à mâchoire

 

 

 

 

Lorsque la mâchoire mobile se rapproche de la mâchoire fixe elle écrase les fragments solides. Lorsqu'elle s'écarte ceux-ci descendent dans une partie


 

 

plus étroite où ils sont à nouveau écrasés et ainsi de suite jusqu'à ce qu'ils atteignent l'orifice de sortie (cet orifice est réglable).

Un concasseur à mâchoire peut fournir entre 500 à 1000 tonnes de granulat par heure.

 

 

II.2.5.2. Le concasseur à percussion ou à marteaux

 

 

Il est constit d'une cuve dont la paroi est épaisse et résistante (Fig. 5). Dans cette  paroi  sont  pratiquées  des  ouvertures  à  travers  lesquelles  passe  le produit à concasser.

A l'intérieur de la cuve tourne un rotor muni des marteaux. La vitesse de rotation est élevée pour assurer une vitesse périphérique des marteaux allant

de 20 à 100 m/s.

 

 


 

 

Fig. 5. Le concasseur à percussion ou à marteaux


Tamis


 

 

Ce type de concasseur n'est pas utilisé pour des matériaux durs et abrasifs, qui provoqueraient des usures très importantes.

 

 

II.2.5.3. Le gravillonneur giratoire

 

 

Casse les pierres ou minerais par pression entre une cuve annulaire fixe dénommée anneau concave et un rouleau conique appelé cône d'usure, animé d'un mouvement excentrique à l'intérieur de l'espace limité par la cuve (Fig. 6).

Le cône d'usure est fixé sur un arbre pendulaire très robuste en acier forgé, formant  levier.  Cet  arbre  a  pour  point  fixe  une  rotule  de  suspension supportée par un étrier pla à la partie supérieure et en travers de l'ouverture du concasseur.


 

 

La partie inférieure de l'arbre pendulaire plonge librement dans un manchon excent dont le mouvement de rotation est commandé par l'intermédiaire d'un couple d'engrenages coniques. Ces engrenages, ainsi que tout le mécanisme de commande, sont enfermés dans une partie du bâti formant le carter étanche.

 

 

Fig. 6. Le gravillonneur giratoire

 

 

La rotation du manchon excentrique communique à l'arbre pendulaire, et par conséquent au cône d'usure qui est fixé dessus, un mouvement qui rapproche celui-ci successivement de chacun des points de l'anneau concave. Au cours de ce mouvement, les blocs à concasser se trouvent fragmentés  par  la  pression  développée,  et  les  morceaux  duits  sont évacués sur le côté de la machine par un couloir lo à l'intérieur du bâti.

 

 

II.2.5.4. Concasseur à cylindre

 

 

Il est constit par un tambour cylindrique ou cylindro-conique à axe horizontal (Fig. 7). Le tambour est environ rempli au tiers de son volume par la charge broyante qui est constituée de boulets d'acier ou de fonte, de galets de silex, de bâtonnets, tétraèdres ou cylindres en acier dur.

 

 

Fig. 7. Concasseur à cylindre


 

 

 

 

Le tambour tourne autour de son axe à une vitesse de rotation précise. Si elle est trop lente, les boulets roulent les uns sur les autres en fond de l'appareil. Si elle est trop rapide, les boulets restent collés à la paroi sous l'action de la force centrifuge.

 

 

II.2.6. Pré-Homogénéisation

 

 

La Pré-homogénéisation (Fig. 8) permet d'atteindre un dosage parfait de deux constituants essentiels du Ciment (le calcaire et largile) et d’enlever toute impureté susceptible de contaminer le ciment.

 

 

Fig. 8. Pré-Homonéisation

 

 

II.2.6.1. Contamination du ciment

 

 

La présence de chlore (chlorures) et de soufre (sulfates, sulfure) lors du chauffage, le chlore et le soufre se volatilisent et agissent avec les composés alcalins (comme le potassium et le sodium (K2O & Na2O)) pour former des chlorures alcalins et sulfures alcalins. En l'absence d'alcalin Le ciment perd de ces qualités et de ces caractéristiques.

 

 

 

II.2.6.2. Composition du mélange donnant le cru

 

 

Le cru obtenu  après une pré-homogénéisation est généralement composé de 80% de calcaire (majoritairement compo de carbonate de calcium CaCO3) et 20% dargile (largile grise, composée principalement d’un mélange complexe et souvent hydraté de silice (SiO2), d'alumine (Al2O3) et


 

 

doxyde  de  fer  (Fe2O3)),  ce  mélange doit  passer  dans  un  broyeur  pour donner la farine destinée à la cuisson.

 

 

 

II.2.7. Broyeur

 

 

 

Il est constit par un tambour cylindrique ou cylindro-conique à axe horizontal (Fig. 9). Le tambour est environ rempli au tiers de son volume par la charge broyante qui est constituée de boulets d'acier extra-dur ou de fonte, de galets de silex, de bâtonnets, tétraèdres ou des barres cylindriques en acier extra-dur.

 

 

 

Le tambour tourne autour de son axe à une vitesse de rotation précise. Si elle est trop lente, les boulets roulent les uns sur les autres en fond de l'appareil. Si elle est trop rapide, les boulets restent collés à la paroi sous l'action de la force centrifuge.

Les boulets ont une taille variant de 2 à 20 cm, en fonction de la finesse de broyage désirée.

 

 

 

 

Fig. 9. Broyeur

 

 

Il existe trois principaux types de broyeurs à boulets :

o Broyeur cylindrique : le tambour est constit par un seul cylindre en rotation

 

 

o Broyeur compound : le tambour est sépa en 3 à 4 compartiments séparés par un grillage et comprenant chacun des boulets de taille différentes. Il est légèrement incliné sur l'horizontale. Le produit à broyer est introduit à une extmité. Lorsqu'il est suffisamment broyé dans le


 

 

premier compartiment, il passe au travers du grillage dans le deuxième compartiment, et ainsi de suite jusqu'à sa sortie.

 

 

o Broyeur  cylindro-conique  :  le  tambour  contient  des   boulets  de différents diamètres. Sous l'effet de la rotation des boulets se rassemblent par leur taille, les plus gros dans la partie cylindrique et les plus petits dans la partie conique. Cet appareil se comporte ainsi comme un broyeur compound.

Un broyeur produit de 200 à 400 tonnes de mélange à l’heure.

 

 

Grace au broyeur, le cru homogénéisé est duit en « farine » (< 200 microns)

de composition :

 

o Carbonate de calcium (CaCO3) : de 77 à 83 %

o Silice (SiO2) : de 13 à 14%

o Alumine (Al2O3) : de 2 à 4%

o Oxyde de fer (Fe2O3) : de 1,5 à 3 %.

 

II.2.8. Pré-calcination

 

 

Pré-Calcination ou préchauffage est la première étape de la phase ou la ligne de cuisson. La farine passe dans un échangeur appelé échangeur à cyclone (Fig. 10) avant le passage au four.  En 5 secondes la farine a