Caractérisation et mise en œuvre des sols argileux destinés aux matériaux de construction cuits

Cas de la Province du Kasaï oriental en République démocratique du Congo
Première édition

L'objet de cette thèse est d’analyser et de comprendre la nature et le comportement des sols du Kasaï oriental, afin de proposer des solutions pour leur utilisation comme terre à briques. L’étude s’est limitée à la plage des températures comprises entre 550°et 900°C.

Huit échantillons de sols ont été prélevés à Mbujimayi et Muene-Ditu, deux grandes villes de la province du Kasaï oriental. Les analyses minéralogiques, chimiques, géotechniques et mécaniques ont été conduites dans plusieurs laboratoires de l’Université catholique de Louvain en Belgique. Les résultats de ces analyses ont montré que les trois sites contiennent des sols susceptibles d’être utilisés en briqueterie avec une nécessité d’amélioration pour quelques-uns.

Ce travail fournit également des caractéristiques hydromécaniques des sols, indispensables aux études de leur comportement pendant les phases d’exploitation des carrières à briques et de construction d’ouvrages de génie civil.

Des mesures ultrasoniques ont également été réalisées afin d’ausculter le degré de fissuration des briques pendant les différentes étapes de leur élaboration. En plus de l’influence de la microfissuration, elles révèlent la bonne corrélation entre les propriétés acoustiques des briques et leurs résistances en compression simple.


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Spécifications


Éditeur
Presses universitaires de Louvain
Partie du titre
Numéro 400
Partie du titre
Volume 400
Auteur
Jean Shimatu Mbuyi,
Collection
Thèses de l'École polytechnique de Louvain
Langue
français
BISAC Subject Heading
TEC000000 TECHNOLOGY & ENGINEERING
Code publique Onix
06 Professionnel et académique
CLIL (Version 2013-2019 )
3069 TECHNIQUES ET SCIENCES APPLIQUEES
Description public visé
Ingénieurs
Date de première publication du titre
10 décembre 2012
Subject Scheme Identifier Code
Classification thématique Thema: Technologie, ingénierie et agriculture, procédés industriels
Type d'ouvrage
Thèse
Avec
Bibliographie

Livre broché


Date de publication
10 décembre 2012
ISBN-13
978-2-87558-096-2
Ampleur
Nombre de pages de contenu principal : 314
Dépôt Légal
D/2012/9964/36
Code interne
87163
Format
16 x 24 x 1,8 cm
Poids
506 grammes
Prix
39,00 €
ONIX XML
Version 2.1, Version 3

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Sommaire


Dédicace ii
Remerciements vi
Table des matières xiii
Liste des figures xx
Liste des tableaux xxiv
Résumé xxvii
Abstract xxix
1 Objectifs de l'étude 1
1.1 Cadre de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Contexte de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Sols étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Traitement utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Approche méthodologique et limites de l’étude . . . . . . . . . . 4
1.5 Pourquoi la brique cuite ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.1 Excellent équilibre hydrique . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2 Longue longévité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.3 Des produits du terroir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.4 Meilleur confort thermique et acoustique . . . . . . . . . 7
1.5.5 Meilleure résistance au feu . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.6 La brique, un matériau écologique . . . . . . . . . . . . . 8
2 Géographie, Géologie et Échantillonnage 9
2.1 Géographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Localisation géographique . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Climat, précipitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 Sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.4 Végétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.5 Hydrographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Géologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Situation générale de la province . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Formations géologiques du degré carré de Mbujimayi . . . 13
2.3 Echantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Carrière à côté de l’aéroport de BIPEMBA à Mbujimayi . 15
2.3.2 Carrière du polygone de la société MIBA à Mbujimayi . . 15
2.3.3 Carrière de Matshitshi à Muene-Ditu . . . . . . . . . . . 16
2.3.4 Carrière de Sanguluja à Muene-Ditu . . . . . . . . . . . . 16
2.3.5 Carrières de Kamabue à Muene-Ditu . . . . . . . . . . . 17
3 Caractérisation minéralogique des sols 19
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Les argiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2 Conditions de formation et stabilité des argiles . . . . . . 22
3.2.3 Nomenclature et classification . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Propriétés des argiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Forme et surface spécifique des argiles . . . . . . . . . . . 29
3.3.2 Capacité d’adsorption d’eau et de gonflement . . . . . . . 30
3.3.3 Possibilité d’échange ionique . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Analyse des minéraux argileux du Kasaï oriental . . . . . . . . . 34
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.2 Mesure de la Capacité d’Echange Cationique . . . . . . . 35
3.4.3 Analyse par di raction des rayons X . . . . . . . . . . . . 39
3.4.4 Analyses thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.5 Microscopie électronique à balayage . . . . . . . . . . . . 60
3.5 Latérites et sols latéritiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.2 Historique et tentatives de définition . . . . . . . . . . . . 65
3.5.3 Classifications des latérites . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5.4 Répartition des latérites dans le monde . . . . . . . . . . 68
3.5.5 Comportement et propriétés des latérites et sols latéritiques 69
3.5.6 Utilisation des latérites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.7 Latérites et argiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.8 Rapport Ki et Kr des sols du Kasaï oriental . . . . . . . . 71
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4 Caractérisation physico-chimique des sols 75
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2 Analyse granulométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.2 Tamisage des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3 Sédimentation ou Lévigation . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.4 Courbes granulométriques des sols . . . . . . . . . . . . . 83
4.3 Les limites d’Atterberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.2 Indice de plasticité et activité . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.3 Principe de mesure des limites d’Atterberg . . . . . . . . 89
4.3.4 Limites d’Atterberg des sols du Kasaï oriental . . . . . . . 90
4.4 Classification des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.2 Classification visuelle et par des tests simples . . . . . . . 92
4.4.3 Classification unifiée de l’USBR . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.4 Diagramme de plasticité de Casagrande . . . . . . . . . . 94
4.5 Caractéristiques de compactage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5.2 Objectifs du compactage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.3 Phénomènes observés lors du compactage . . . . . . . . . 96
4.5.4 Essai Proctor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.5.5 Estimation des propriétés de compactage à partir des caractéristiques physiques des sols argileux. . . . . . . . . . 100
4.6 Analyses chimiques de la matière première . . . . . . . . . . . . 103
4.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.6.2 Teneur en matières organiques et teneur en chaux . . . . . 104
4.6.3 Acidité des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.6.4 Analyse chimique des éléments . . . . . . . . . . . . . . 106
4.6.5 Déferrification de l’argile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.7 L’analyse en composantes principales . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.7.2 Principe de l’ACP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.7.3 Données et résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.7.4 Interprétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7.5 Caractéristiques chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5 Comportement hydromécanique des sols 123
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2 Essai de consolidation oedométrique . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1 Principe et appareillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.2 Mode opératoire et choix des paramètres . . . . . . . . . 128
5.2.3 Quelques relations importantes . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.4 Expression des résultats et observations . . . . . . . . . . 131
5.3 Essais de perméabilité à l’oedomètre . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.1 Principe et mode opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.2 Calculs et expressions des résultats . . . . . . . . . . . . 139
5.3.3 Observations et interprétations . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4 Essais de compression triaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.2 Principe et appareillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.3 Mode opératoire et choix des paramètres . . . . . . . . . 143
5.4.4 Expression des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6 Caractérisation physico-mécanique des briques 155
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2 Préparation de la matière première . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.1 Broyage et séchage du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.2 Dosage et mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.2.3 Exécution du compactage des sols du Kasaï oriental . . . 159
6.3 Séchage des briquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.3.1 Théorie du séchage des terres compactées . . . . . . . . . 162
6.3.2 Mode opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3.3 Caractéristiques physiques après séchage . . . . . . . . . 166
6.4 Cuisson des produits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.1 Objectifs de la cuisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.2 Détermination de la température de cuisson des briques en argiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.4.3 Programme de cuisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4.4 Conduite de la cuisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.4.5 Caractéristiques physiques après cuisson . . . . . . . . . 178
6.5 Caractéristiques mécaniques des briques cuites . . . . . . . . . . 183
6.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.5.2 Résistance en compression simple . . . . . . . . . . . . . 183
6.5.3 Absorption d’eau après 24h . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5.4 Analyse de la sensibilité des caractéristiques mécaniques des briques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7 Essais non-destructifs 205
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.2 Eléments de propagation d’ondes dans les roches . . . . . . . . . 206
7.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.2.2 Notions d’acoustoélasticité . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.2.3 Paramètres qui influencent les vitesses ultrasoniques . . . 211
7.3 Matériel et méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.1 Matériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.2 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.4 Résultats et discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.4.1 Valeurs des vitesses ultrasoniques . . . . . . . . . . . . . 214
7.4.2 Relations entre les vitesses longitudinales et transversales 217
7.4.3 Relation entre les vitesses avant et après cuisson . . . . . 218
7.4.4 Relation entre les vitesses ultrasoniques et les résistances entre compression simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.5 Relation entre module statique ou linéaire et modules dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.4.6 Influence du choix des transducteurs . . . . . . . . . . . . 223
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8 Conclusion et Perspectives d’Avenir 229
8.1 Conclusion Générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.2 Perspectives d’Avenir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Annexes 235
A Caractéristiques des sols 237
A.1 Caractéristiques minéralogiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
A.1.1 Mode opératoire de mesure de la CEC et des bases échangeables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
A.1.2 Mode opératoire de mesure de l’acidité totale . . . . . . . 239
A.1.3 Autres di ractogrammes d’argiles du Kasaï oriental . . . 242
A.2 Caractéristiques hydromécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
B Caractéristiques des briques 247
B.1 Caractéristiques physiques avant cuisson . . . . . . . . . . . . . . 247
B.2 Caractéristiques physiques après cuisson . . . . . . . . . . . . . . 250
C Mesures ultrasoniques 257
Index 264
Références bibliographiques 279