Caractérisation et analyse des matières
première

Matières premières

Mélange argileux et sable

Les mélanges argileux et le sable utilisés tout au long de cette étude sont issus des carrières de la région Occitanie de l’entreprise TERREAL. Deux mélanges argileux sont utilisés, un désigné par (ML) et un autre désigné par (MC) qui correspondent à deux sites d’exploitation différents. Concernant le sable, un seul type sera employé et il est désigné par (B). Des lots d’une tonne de ML, MC et B ont été extraits en septembre 2015 et réservés pour cette étude. Ces lots ont été stockés dans des sacs en plastique à l’air ambiant, afin de conserver la même composition chimique tout au long la période de notre étude. Le mélange de fabrication standard est un mélange composé d’un mélange argileux, de sable et de l’eau utilisé pour fabriquer des produits conventionnels (briques, tuiles,…). Dans notre étude nous appelons ce mélange (mélange argileux, sable et l’eau) la matrice argileuse. La matrice argileuse incorporée de CSR sera appelée mélange argileux/CSR. 

Choix des CSR

La figure (fig. 2.2.1) montre les images de deux CSR bruts utilisés comme additifs au sein des deux matrices argileuses ML et MC de cette étude. Le CSR28 est un Combustible Solide de Récupération, désigné par 28 en raison de sa granulométrie initiale de diamètre moyen de 28mm. Il s’agit d’un co-produit issu de différentes activités industrielles et d’ordures ménagères. Il est composé de papier, de plastique, de morceaux de bois (fig.2.2.1)…Le CSR28 est un combustible commercialisé dans le marché de la cimenterie vu sa valeur de pouvoir calorifique élevée. Le deuxième CSR utilisé est désigné CSR15 en raison aussi de la taille de ces particules initiale (diamètre moyen de 15mm). Ce CSR15, est un refus de la production du CSR28. Il s’agit d’un co-produit composé des particules fines, particulièrement de poussière, des billes de polystyrène et d’éléments inertes (inorganiques) (fig.2.2.1). Donc, c’est un CSR qui présente un pouvoir calorifique faible, ce qui ne répond pas aux exigences des cimenteries. Le CSR15 a été choisi comme additif au sein de la matrice argileuse, vu sa composition élémentaire proche de celle du sable. L’objectif est de pouvoir remplacer plus ou moins le sable dans la formulation du mélange argileux/CSR. Ces deux CSR ne contiennent que de faibles teneurs en éléments polluants comme ce que nous allons discuter dans la partie d’analyse élémentaire. 

Méthode de préparation des CSR

 Les CSR28 et CSR15 ont été livrés dans leur état brut (fig.2.2.1) avec une granulométrie de 28 mm et 15 mm, respectivement. Pour pouvoir incorporer ces CSR au sein de la matrice argileuse, une étape de préparation et de réduction granulométrique sont donc indispensables. Selon les normes européennes standards de CSR EN 15413 et 15442 [12, 15], les étapes principales de préparation de CSR sont les suivantes :

Séchage

 Pour répondre aux exigences de la caractérisation du CSR, comme par exemple la détermination de la teneur en humidité (EN 15414-3) [13] et la teneur en matières volatiles (EN 15402) [6], des préconisations pendant cette étape du séchage doivent être prises. En effet, le séchage est uniquement utilisé pour éliminer la quantité d’eau qui pourrait affecter la préparation de l’échantillon de CSR, comme sa réduction granulométrique ou son échantillonnage. Pour notre cas, les échantillons CSR28 et CSR15 ont été livrés avec une quantité d’eau initiale de 16%.m et 17,2%.m, respectivement. Une étuve climatique de la marque CLIMATS a été utilisée pour sécher les CSR28 et CSR15. Les deux CSR ont été divisés manuellement en échantillons de 1kg à l’aide d’une pelle. Ensuite, chaque échantillon de 1kg a été étalé en une couche mince sur un plateau en plastique. L’étuve a été réglée à 40°C avec un renouvellement régulier de l’air afin d’accélérer le processus de séchage. Le temps de séchage dépend de l’épaisseur de la couche de l’échantillon, de sa nature, son taux d’humidité initial, ainsi que du débit d’air (taux de ventilation). Pour notre cas, le temps de séchage a été de 5 à 6h, il a été ajusté à l’aide d’un échantillon témoin qui a été pesé toutes les 60 minutes jusqu’à l’obtention d’une masse constante. A la fin de séchage, les échantillons ont été en équilibre avec l’air et leurs masses ont été désormais fixes.

Réduction granulométrique 

Après l’étape de séchage, les échantillons de CSR28 et CSR15 ont ensuite été broyés pour obtenir des particules de 1 mm avant les caractériser. L’étape de la réduction granulométrique permet aussi d’homogénéiser l’échantillon. La réduction granulométrique est une étape essentielle dans la préparation d’échantillon en raison de pertes potentielles de mercure (Hg) lors du chauffage, des pertes de matières pulvérentes et de la contamination provenant du matériel. Pour cette raison, un choix adéquat du matériel permettant la réduction granulométrique est primordial. Il existe plusieurs techniques de réduction granulométrique, parmi lesquelles la méthode de broyage. Chaque méthode de broyage est destinée à un type spécifique du matériau. Étant donné que les CSR sont constitués de plusieurs matières de nature différente (plastique, bois, papier, billes de polystyrène. . . ) leur broyage devient très complexe. Dans ce cas la recherche d’un broyeur adapté est une priorité. La figure (fig. 2.3.1) présente les différents types de broyeurs industriels existant sur le marché [226], classifié en fonction de la matière à broyer et de la granulométrie finale souhaitée. Les CSR28 et CSR15 sont des matériaux hétérogènes à nature mi-dure, élastique et fibreuse en même temps. D’après la figure (fig.2.3.1), les broyeurs à couteaux et à mâchoires sont les plus adéquats pour la granulométrie souhaitée (1 mm) et la nature de notre CSR. En prenant en compte le coût énergétique de broyage et l’efficacité du broyeur, nous avons choisi le broyeur à couteaux. Un broyeur de type RETSCH SM300 du laboratoire VERDER SCIENTIFIC a été utilisé pour le broyage de CSR28 et CSR15 (fig.2.3.2). Le broyeur SM300 broie par effet de coupe et de cisaillement. La matière chargée est interceptée par le rotor puis broyée entre celui-ci et les contre-couteaux doubles situés dans la chambre de broyage. Avec le rotor à 6 disques, des plaquettes de coupe réversibles en métal dur disposées en forme de spirale procèdent à un découpage successif. Les couteaux du rotor de coupe parallèle assurent un broyage à découpe énergique. Le fort couple moteur et la vitesse de rotation réglable de 700 à 3000 tr/min permettent au SM300 de répondre aux plus grandes exigences de broyage. Les conditions de broyage de CSR28 et CSR 15 sont regroupées dans le tableau (tableau.2.1).