Minéraux non métalliques (partie 2/5)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Décrire les étapes de fabrication des briques, des tuiles, des tuyaux en grès et des produits réfractaires. - Identifier les matières premières utilisées, leurs propriétés et les normes de qualité applicables au Cameroun. - Réaliser un calcul simple de dosage ou de dimensionnement lié à chaque procédé (quantité d’argile, longueur de tuyau, proportion d’alumine). - Appliquer les règles de sécurité, d’hygiène et de protection de l’environnement propres aux ateliers de céramique et de réfractaires. - Interpréter les résultats des essais de contrôle (résistance à la compression, porosité, étanchéité, réfractorité sous charge). **Prérequis :** - Notions de base en chimie minérale (oxydes, silicates, carbonates). - Connaissance des unités de masse, de volume et de température (°C, K). - Lecture de schémas de procédés industriels (flux de matières, équipements de broyage, de malaxage, de cuisson). - Règles de sécurité en atelier (port des EPI, manipulation de poudres, prévention des incendies). --- ## Introduction contextualisée Les matériaux non métalliques jouent un rôle essentiel dans la construction, l’assainissement et les industries hautes températures au Cameroun. Les briques et tuiles assurent l’enveloppe des bâtiments, les tuyaux en grès garantissent le transport des eaux usées et pluviales, tandis que les produits réfractaires protègent les fours, les incinérateurs et les réacteurs chimiques contre la chaleur extrême. Ce chapitre présente, de façon progressive, les procédés de fabrication propres à chaque famille de produits, en insistant sur les matières premières locales (argiles de la région du Littoral, kaolin de l’Ouest, sables siliceux du Nord) et sur les adaptations nécessaires pour respecter les normes camerounaises (MINTP, MINMIDT) et les bonnes pratiques professionnelles. --- ## I. Leçon 14 : Fabrication des briques et des tuiles ### A. Matières premières - **Argile plastique** : principalement composée de kaolinite, d’illite et de smectite ; elle confère la plasticité nécessaire au façonnage. - **Dégraissant** (sable siliceux, chamotte) : réduit le retrait au séchage et améliore la porosité. - **Additifs** (chaffage, cendres volantes) : modifient la couleur et la résistance mécanique. > **>** L’argile utilisée doit présenter un indice de plasticité compris entre 15 et 25 % (essai Atterberg). ### B. Préparation de la pâte 1. **Concassage** : broyage à < 2 mm. 2. **Malaxage** : ajout d’eau (15‑20 % du poids sec) dans un malaxeur à pâle ou à vis ; obtenir une pâte homogène, sans grumeaux. 3. **Déaération** : passage sous vide pour éliminer les bulles d’air qui provoqueraient des fissures au séchage. ### C. Formage - **Procédé traditionnel** : moulage en bois ou en métal (pression manuelle). - **Procédé industriel** : presse à vis ou extrusion continue pour les tuiles creuses. - **Dimensionnement** : les briques standards camerounaises mesurent 22 × 11 × 5,5 cm (format NF P 15‑201). ### D. Séchage - **Séchage naturel** : exposition à l’air libre, 2‑5 jours selon l’humidité relative (idéale 40‑60 %). - **Séchage artificiel** : tunnel à 60‑80 °C, débit d’air contrôlé, temps de 12‑24 h. - **Critère** : taux d’humidité résiduel < 4 % avant cuisson. ### E. Cuisson - **Four tunnel** ou **four périodique** : montée en température progressive (100 °C/h) jusqu’à 900‑950 °C, plateau de 30 min, puis refroidissement contrôlé (< 100 °C/h). - **Atmosphère** : oxydante (air) pour éviter la réduction des oxydes de fer qui provoquerait des colorations indésirables. > **>** La température de cuisson doit être atteinte uniformément ; un différentiel > 20 °C entre le cœur et la surface provoque des fissures de rétraction. ### F. Contrôle qualité - **Essai de compression** : résistance minimale 15 MPa pour les briques de construction (NF P 15‑201). - **Essai d’absorption d’eau** : < 12 % après 24 h d’immersion. - **Contrôle dimensionnel** : tolérance ± 2 mm sur chaque côté. ### G. Exemple chiffré : dosage de l’argile Un atelier doit produire 10 000 briques de format 22 × 11 × 5,5 cm. La masse volumique apparente de l’argile sèche est 1,6 g cm⁻³. 1. Volume d’une brique = 22 × 11 × 5,5 cm³ = 1331 cm³. 2. Masse sèche d’une brique = 1331 cm³ × 1,6 g cm⁻³ = 2129,6 g ≈ 2,13 kg. 3. Masse totale sèche = 2,13 kg × 10 000 = 21 300 kg. 4. En tenant compte d’un taux d’humidité de 18 % dans la pâte prête à l’emploi, la masse humide nécessaire = 21 300 kg ÷ (1 − 0,18) ≈ 25 976 kg. **Résultat** : il faut préparer environ 26 t de pâte argileuse humide pour obtenir 10 000 briques sèches. --- ## II. Leçon 15 : Fabrication des tuyaux en grès ### A. Matières premières - **Grès** (silice quartz + feldspath) : fournit la résistance mécanique et la faible porosité après cuisson. - **Kaolin** : améliore la plasticité et la blancheur. - **Chamotte** (grès pré‑cuite broyée) : réduit le retrait et augmente la résistance à la fissuration thermique. - **Eau** : 15‑20 % du poids sec. > **>** Le grès utilisé doit contenir moins de 0,5 % d’oxyde de fer pour éviter la coloration verte après cuisson en atmosphère réductrice. ### B. Préparation de la barbotine 1. **Broyage** : les matières premières sont réduites à < 0,1 mm. 2. **Malaxage** : ajout d’eau et d’un dispersant (souvent du silicate de sodium) dans un malaxeur à turbine ; obtenir une barbotine de viscosité 150‑250 cP. 3. **Filtrage** : passage à travers un tamis de 80 µm pour éliminer les agrégats. ### C. Formage - **Extrusion** : la barbotine est poussée à travers une filière de diamètre intérieur souhaité (ex. DN 150 mm) sous pression de 2‑4 MPa. - **Moulage par centrifugation** : utilisé pour les gros diamètres (> DN 300 mm) ; la barbotine est versée dans un moule tournant à 300‑500 tr/min. - **Ébarbage** : élimination des bavures à l’aide d’un couteau chauffé. ### D. Séchage - **Pré‑séchage** : aire de préchauffage à 50‑70 °C pendant 2‑4 h pour stabiliser la forme. - **Séchage final** : tunnel à 80‑100 °C, débit d’air 0,5‑1 m s⁻¹, durée 12‑18 h jusqu’à atteindre < 2 % d’humidité. ### E. Cuisson - **Four tunnel** : montée en température à 1200‑1280 °C (point de vitrification du grès). - **Plateau de cuisson** : 30‑45 min à température maximale. - **Refroidissement** : lente (< 80 °C/h) pour éviter les chocs thermiques qui provoqueraient des fissures longitudinales. - **Atmosphère** : légèrement réductrice (CO/CO₂ ≈ 0,2) pour améliorer la résistance à la corrosion acide, mais suffisamment oxydante pour éviter la formation de sulfures. > **>** La température de vitrification du grès doit être atteinte uniformément ; un gradient > 15 °C entre l’intérieur et l’extérieur du tuyau entraîne des microfissures de retrait. ### F. Contrôle qualité - **Essai d’étanchéité** : test à la pression de 0,5 MPa pendant 15 min, aucune fuite détectée. - **Résistance à la compression** : ≥ 30 MPa (norme NF EN 124). - **Absorption d’eau** : ≤ 5 % après 24 h d’immersion. - **Contrôle dimensionnel** : tolérance du diamètre extérieur ± 1 mm, épaisseur de paroi ± 0,5 mm. ### G. Exemple chiffré : dimensionnement d’un tuyau d’évacuation Un chantier doit poser un tuyau de grès DN 200 mm (diamètre intérieur 200 mm) sur une longueur de 150 m pour collecter les eaux pluviales. L’épaisseur de paroi recommandée est 12 mm. 1. Diamètre extérieur = 200 mm + 2 × 12 mm = 224 mm. 2. Section transversale du matériau (anneau) = π/4 × (D_ext² − D_int²) = 0,785 × (0,224² − 0,200²) m² = 0,785 × (0,050176 − 0,040000) = 0,785 × 0,010176 = 0,00799 m² ≈ 8,0 × 10⁻³ m². 3. Volume de grès nécessaire = section × longueur = 0,00799 m² × 150 m = 1,1985 m³. 4. Masse volumique apparente du grès cuit ≈ 2,3 t m⁻³. 5. Masse de grès = 1,1985 m³ × 2,3 t m⁻³ ≈ 2,76 t. **Résultat** : il faut prévoir environ 2,8 t de grès cru (après prise en compte des pertes de cuisson ≈ 10 %) soit 3,1 t de matière première. --- ## III. Leçon 16 : Fabrication des produits réfractaires ### A. Définition et classification - **Réfractaire** : matériau capable de résister à des températures élevées (> 1500 °C) sans subir de déformation significative ni de réaction chimique avec les milieux rencontrés. - **Classification chimique** : - **Acides** (silice SiO₂ > 90 %). - **Basiques** (magnésie MgO, chaux CaO). - **Neutres** (alumine Al₂O₃, oxyde de zirconium ZrO₂). - **Mixtes** (alumino-silicates, silico-aluminates). > **>** Un réfractaire de base aluminosilicate contenant 45 % Al₂O₃ et 50 % SiO₂ est classé « réfractaire intermédiaire » selon la norme ISO 1927‑1. ### B. Matières premières courantes au Cameroun - **Bauxite** (source d’Al₂O₃, 45‑55 %). - **Sable siliceux** (SiO₂ > 98 %). - **Magnésite** (MgCO₃ → MgO après calcination). - **Argile réfractaire** (kaolinite enrichie en Al₂O₃). - **Additifs** : borax (fondant), graphite (conductivité thermique), fibres métalliques (renforcement à chaud). ### C. Préparation du mélange 1. **Concassage** : réduction à < 0,5 mm. 2. **Pesée** : selon la formule cible (ex. 85 % Al₂O₃, 10 % SiO₂, 5 % MgO). 3. **Malaxage** : ajout d’eau (5‑8 % du poids sec) et d’un liant temporaire (bentonite 2 %) dans un malaxeur à double arbre ; obtenir une poudre homogène, écoulement libre. 4. **Granulation** (optionnelle) : passage dans un granulateur à disque pour obtenir des granulés de 1‑3 mm facilitant le pressage. ### D. Formage - **Pression sèche** : pressage uniaxial à 20‑40 MPa dans des moules en acier ou en carbure de tungstène (produits de forme complexe : briques, plaques, tuyaux). - **Coulage** : suspension aqueuse (barbotine) versée dans des moules en plâtre ; utilisée pour les formes creuses (coupelles, tuyaux). - **Extrusion** : pour les produits longs (baguettes, profilés) ; pression 10‑15 MPa, filière en acier résistante à l’usure. ### E. Séchage et préchauffage - **Séchage** : four à 100‑150 °C, 4‑6 h, afin d’éliminer l’eau de liaison sans provoquer de fissures. - **Préchauffage** (débactérisation) : montée à 800‑900 °C en atmosphère oxydante pour éliminer les composés organiques et réduire les risques d’explosion de vapeur lors de la cuisson finale. ### F. Cuisson (sinterisation) - **Four tunnel ou four périodique** : montée en température selon la courbe suivante (exemple pour réfractaire alumineux) : - 100 °C/h jusqu’à 600 °C (élimination de l’eau). - 50 °C/h de 600 à 1200 °C (décomposition des carbonates, réaction de formation de phases aluminosilicates). - 20 °C/h de 1200 à 1500 °C (sinterisation, densification). - Plateau de 30‑60 min à 1500 °C. - Refroidissement contrôlé (< 80 °C/h) pour éviter les fissures thermiques. - **Atmosphère** : généralement oxydante (air) pour les alumino-silicates ; légèrement réductrice (H₂/N₂) pour les réfractaires à base de carbure de silicium ou de zirconium afin d’éviter l’oxydation prématurée. > **>** La température de sinterisation d’un réfractaire à 85 % Al₂O₃ se situe entre 1450 et 1550 °C ; en dessous de 1400 °C la densité relative reste < 85 % et la résistance à la chute thermique est insuffisante. ### G. Contrôle qualité - **Porosité ouverte** : mesure par imbibition d’eau ; valeur typique 15‑25 % pour les réfractaires légers, < 10 % pour les denses. - **Résistance à la compression à température ambiante** : ≥ 50 MPa pour les produits denses. - **Réfractorité sous charge (RSC)** : température auquel le matériau se déforme de 0,2 % sous une charge de 0,2 MPa ; doit être ≥ 1500 °C pour les réfractaires de base alumineux. - **Stabilité thermique** : essai de cyclage (chauffage/refroidissement 20 fois entre 200 °C et 1200 °C) ; absence de fissures ou de spallation. ### H. Exemple chiffré : dosage d’alumine pour un réfractaire 85 % Al₂O₃ On souhaite produire 500 kg de réfractaire fini (après cuisson) contenant 85 % en masse d’Al₂O₃, le reste étant principalement du SiO₂ (10 %) et du MgO (5 %). 1. Masse d’Al₂O₃ nécessaire dans le produit fini = 0,85 × 500 kg = 425 kg. 2. La bauxite utilisée contient 50 % d’Al₂O₃ (typique). Masse de bauxite requise = 425 kg ÷ 0,50 = 850 kg. 3. Masse de SiO₂ nécessaire = 0,10 × 500 kg = 50 kg. Le sable siliceux est à 99 % SiO₂ → masse de sable = 50 kg ÷ 0,99 ≈ 50,5 kg. 4. Masse de MgO nécessaire = 0,05 × 500 kg = 25 kg. La magnésite (MgCO₃) se décompose en MgO + CO₂ ; perte de masse ≈ 48 % (masse moléculaire MgCO₃ = 84,3 g mol⁻¹, MgO = 40,3 g mol⁻¹). Masse de magnésite à introduire = 25 kg ÷ 0,403 ≈ 62,0 kg. 5. Masse totale des matières premières avant cuisson = 850 + 50,5 + 62,0 ≈ 962,5 kg. 6. En tenant compte d’une perte de masse à la cuisson de 8 % (évaporation d’eau, décarbonatation), la masse humide à préparer = 962,5 kg ÷ (1 − 0,08) ≈ 1 046 kg. **Résultat** : pour obtenir 500 kg de réfractaire 85 % Al₂O₃, il faut préparer environ 1,05 t de mélange humide (bauxite, sable, magnésite, eau et liant). --- ## Synthèse du chapitre - **Briques et tuiles** : argile plastique + dégraissant → malaxage → formage → séchage (4 % H₂O résiduel) → cuisson 900‑950 °C oxydante → résistance ≥ 15 MPa, absorption < 12 %. - **Tuyaux en grès** : grès + kaolin + chamotte → barbotine → extrusion ou centrifugation → séchage < 2 % H₂O → cuisson 1200‑1280 °C (légèrement réductrice) → étanchéité à 0,5 MPa, résistance ≥ 30 MPa, absorption ≤ 5 %. - **Produits réfractaires** : bauxite, sable siliceux, magnésite, additifs → mélange → pressage/coulage/extrusion → séchage 100‑150 °C → préchauffage 800‑900 °C → sinterisation 1450‑1550 °C (atmosphère adaptée) → porosité 10‑25 %, RSC ≥ 1500 °C, résistance à la compression ≥ 50 MPa. - **Contrôles communs** : essais mécaniques (compression, flexion), essais d’étanchéité/absorption, analyses chimiques (XRF, XRD) et essais thermiques (cyclage, réfractorité sous charge). - **Sécurité** : port de masque anti‑poussière, lunettes, gants, ventilation locale, procédures d’arrêt d’urgence en cas de surchauffe du four, gestion des déchets alcalins ou acides selon la réglementation MINTP. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Argile plastique | Minerai argileux présentant une plasticité suffisante pour être façonné sans ajout excessif d’eau. | | Dégraissant | Matériau inerte (sable, chamotte) ajouté à l’argile pour réduire le retrait au séchage et améliorer la porosité. | | Barbotine | Suspension aqueuse de matières premières finement broyées utilisée pour le formage des tuyaux en grès. | | Vitrification | Transformation d’un matériau céramique en phase vitreuse lors de la cuisson à haute température, réduisant la porosité. | | Sinterisation | Processus de densification par diffusion atomique sous chaleur, sans fusion complète, donnant la résistance mécanique des réfractaires. | | Réfractorité sous charge (RSC) | Température à laquelle un réfractaire subit une déformation de 0,2 % sous une charge spécifiée (souvent 0,2 MPa). | | Porosité ouverte | Fraction du volume total accessible aux fluides, mesurée par imbibition d’un liquide (eau ou huile). | | Chamotte | Grès pré‑cuite broyée, utilisée comme dégraissant pour réduire le retrait et améliorer la résistance thermique. | | Bentonite | Argile gonflante utilisée comme liant temporaire dans les poudres réfractaires. | | Débactérisation | Préchauffage à 800‑900 °C destiné à éliminer les matières volatiles et à prévenir les explosions de vapeur lors de la sinterisation. | | Four tunnel | Installation continue où les pièces passent successivement par zones de préchauffage, de cuisson et de refroidissement. | | EPI | Équipements de protection individuelle (masque, lunettes, gants, chaussures de sécurité). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dosage d’argile pour la production de tuiles **Situation** : Un atelier de tuiles plates doit fabriquer 8 000 tuiles de dimensions 30 × 30 × 2 cm. La masse volumique apparente de l’argile sèche est 1,55 g cm⁻³. Le taux d’humidité de la pâte prête à l’emploi est fixé à 16 %. **Demande** : Calculer la masse humide d’argile nécessaire (en kilogrammes). **Corrigé** 1. Volume d’une tuile = 30 × 30 × 2 cm³ = 1 800 cm³. 2. Masse sèche d’une tuile = 1 800 cm³ × 1,55 g cm⁻³ = 2 790 g = 2,79 kg. 3. Masse sèche totale = 2,79 kg × 8 000 = 22 320 kg. 4. Masse humide = masse sèche ÷ (1 − taux d’humidité) = 22 320 kg ÷ (1 − 0,16) = 22 320 kg ÷ 0,84 ≈ 26 571 kg. **Réponse** : environ **26,6 t** de pâte argileuse humide sont nécessaires. --- ### Exercice 2 – Dimensionnement d’un tuyau en grès pour un débit d’eaux usées **Situation** : Un réseau d’assainissement doit évacuer un débit maximal de 0,08 m³ s⁻¹. On choisit un tuyau en grès de forme circulaire, avec une vitesse d’écoulement limitée à 1,2 m s⁻¹ pour éviter l’érosion. La rugosité du grès est négligeable. **Demande** : Déterminer le diamètre intérieur minimal du tuyau (en millimètres) et vérifier que l’épaisseur de paroi de 10 mm respecte la contrainte de compression admissible de 25 MPa (pression interne maximale estimée à 0,3 MPa). **Corrigé** 1. Débit Q = A·v → A = Q / v = 0,08 m³ s⁻¹ / 1,2 m s⁻¹ = 0,0667 m². 2. Pour un cercle, A = π·D²/4 → D = √(4A/π) = √(4·0,0667 / 3,1416) = √(0,0849) = 0,291 m = **291 mm**. 3. On arrondit au diamètre commercial supérieur : **DN 300 mm** (diamètre intérieur 300 mm). 4. Contrainte de compression dans une paroi mince sous pression interne P : σ = P·D/(2·e). σ = 0,3 MPa × 0,300 m / (2 × 0,010 m) = 0,09 / 0,02 = 4,5 MPa. 5. Comme 4,5 MPa < 25 MPa (contrainte admissible), l’épaisseur de 10 mm est suffisante. **Réponse** : diamètre intérieur minimal ≈ **291 mm** (on adopte DN 300 mm) ; épaisseur de 10 mm satisfait la résistance à la compression. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | **Séchage trop rapide** (exposition directe au soleil fort ou à un flux d’air trop chaud) | Formation de fissures de retrait, risque de casse lors du formage ou de la cuisson. | Respecter un gradient de température ≤ 5 °C h⁻¹ pendant le pré‑séchage ; utiliser des abris ou des séchoirs à température contrôlée. | | 2 | **Mauvaise proportion d’eau dans la pâte** (trop d’eau) | Augmentation du retrait, formation de pores, baisse de la résistance mécanique après cuisson. | Mesurer précisément l’eau avec un verre doseur ou une balance ; viser le taux d’humidité recommandé (15‑20 % pour les briques, 5‑8 % pour les réfractaires). | | 3 | **Chargement irrégulier du four** (pièces entassées, obstruction des conduits de gaz) | Chauffe inhomogène, surchauffe locale → déformation, fissures, voire explosion de vapeur. | Disposer les pièces sur des chariots ou des chariots à espacement régulier ; vérifier la libre circulation des gaz de combustion avant chaque cuisson. | | 4 | **Manipulation de poudres sèches sans protection** (inhalation de silice ou d’alumine) | Risques de silicose, d’irritation respiratoire, de dermatite. | Porter systématiquement un masque filtrant (FFP2 ou supérieur), des lunettes de protection et des gants ; travailler sous hotte ou avec aspiration locale. | | 5 | **Refroidissement trop rapide du four** (ouverture prématurée de la porte) | Choc thermique → fissures longitudinales dans les tuyaux ou éclatement des réfractaires. | Respecter une pente de refroidissement ≤ 80 °C h⁻¹ ; utiliser des rideaux thermiques ou des panneaux isolants si nécessaire. | | 6 | **Utilisation d’un liant inadapté** (ex. ajout de chaux dans une pâte réfractaire acide) | Formation de phases faibles à haute température, réduction de la réfractorité. | Vérifier la compatibilité chimique du liant avec le système de base (acide, basique, neutre) avant l’ajout ; consulter les fiches techniques des fournisseurs. | --- *Fin du cours.*