Etude des transformations microstructurales de mélanges argile/biomasse lors de la cuisson et relations avec les propriétés mécaniques et thermiques

Study of microstructural transformations of clay/biomass mixtures on the firing and relations with the mechanical and thermal properties

• Auteur / Autrice : Pierre-Marie Nigay
• Direction : Ange Nzihou, Thierry Cutard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 09/04/2015
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Agnès Smith
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ange Nzihou, Thierry Cutard, Jacques Poirier, Xavier Py, Eric Weiland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Poirier, Xavier Py

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Mécanique

Thermique

Porosité

Terres cuites

Biomasse

Argile

Mots clés libres

Argile

Biomasse

Terre cuite

Porosité

Microstructure

Mécanique

Thermique

Expérimentation

Modélisation

Clay

Biomass

Terracotta

Porosity

Microstructure

Mechanics

Thermics

Experimentation

Modeling

Résumé

La valorisation de résidus agricoles, industriels ou urbains se révèle, à mesure des recherches et des avancées, un recours pertinent aux défis s’imposant à l’industrie de la terre cuite et au domaine de l’habitat. L’incorporation de résidus agricoles à travers des produits conventionnels a permis au long de cette étude une économie de ressource argileuse et d’énergie, tout en améliorant les performances mécaniques et thermiques à la base des matériaux de construction. Des matières végétales ajoutées au mélange argileux de fabrication entrainent une formation de porosité, durant la cuisson des produits, selon la libération d’espaces occupés par les particules, à des températures allant de 200 à 400°C. Les pores en formation adoptent alors les formes et les tailles de particules constitutives, en procurant une maitrise de la microstructure et des propriétés usuelles de la terre cuite. Les résidus agricoles à fines particules se décomposent au sein de la matrice argileuse et procurent, en réduisant la taille moyenne des pores, une amélioration des performances mécaniques de près de 40%. Les matières végétales à particules fibreuses suscitent en revanche une augmentation de l’anisotropie originelle de la microstructure et une amélioration notable de 40% des performances thermiques. La combustion de la matière organique assure, en prime, un apport énergétique au procédé de cuisson s’élevant à 35% des besoins en combustible et compensant un coût d’achat éventuel. L’incorporation de matières végétales au sein des produits de terre cuite apparait comme un succès sur le plan économique, environnemental et technique en raison d’une valorisation matière, entrainant une amélioration des performances usuelles, et d’une valorisation énergétique, accordant une réduction des consommations en gaz et des émissions en dioxyde de carbone.

Waste and biomass valorization appears, on a way of research and advances, as a relevant answer in the challenge offered to the clay bricks industry and housing field. Incorporations of agricultural wastes into clayey ceramic bodies accorded, along those investigations, raw material and energy savings, since improving the mechanical and thermal properties on the basis of every building material. Biomass incorporations amongst argillaceous mixtures induce a porosity formation through the firing process under a release, on a range of temperatures going from 200 to 400°C, of the material spaces previously filled by the organic particles. The porous cavities assume the sizes as well as shapes of the biomass particles and provide a microstructure control affording a functional properties command. The agricultural wastes including thin particles fade out into the clayey bodies and provide, through a median pore size reduction, an improvement of the mechanical strength up to 40%. Crops residues showing fibrous particles induce on the other hand an increase of microstructure and porous network anisotropy, leading to a tremendous improvement of nearly 40% in the insulation behavior. The biomass combustion provides a calorific contribution as well, to the industrial process of firing, surrounding 35% of the usual fuel requirements and supplies an eventual cost of agricultural wastes. Biomass incorporation into clayey ceramic appears as a success on economical, environmental and technical terms, according to the material purpose offering an improvement of the functional performances, and energy purpose assuming a diminution of gas consumptions or a reduction of carbon dioxide release.