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1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement S

1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Ecole Nationale Polytechnique d’Alger Département de métallurgie Thèse de Doctorat en Sciences Spécialité : Métallurgie THÈME MODELISATION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DES CERAMIQUES PAR LA MECANIQUE DE L’ENDOMMAGEMENT : CAS DES REFRACTAIRES SILICO-ALUMINEUX FAÇONNES Présentée par : AMRANE Belaid Devant le jury composé de : Mr DJEGHLAL Mohammed Lamine Pr Président ENP Mr MESRATI Nadir Pr Encadreur ENP Mr OUEDRAOGO Evariste MC Co-encadreur INP-Grenoble Mr HELLAL Fatah Pr Examinateur ENP Mr BOUCHEFFA Youcef Pr Examinateur EMP Mr BENYAHIA Ahmed Ali Pr Examinateur USTHB Mr BOUMCHEDDA Khaled Pr Examinateur U. Boumerdes ENP 2012 2 : . BSAA . . . : 20 500 700 800 900 1000 1200 0 C BSAA 2 . 900 0 . A . C MEB ( 2.3 ( ) 2.4 . ) . . : RESUME L‟objectif de ce travail consiste à étudier le comportement d‟endommagement de matériaux réfractaires silico-alumineux à base d‟un mélange d‟argiles réfractaires locales : le kaolin de Tamazert et la halloysite de djebel Debbagh. Ces matériaux que nous avons dénommés BSAA, sont couramment utilisés comme supports d‟enfournement et dallages des soles de wagonnets des fours tunnels. Ils sont de ce fait sollicités par des contraintes thermomécaniques cycliques entrainant leur endommagement. D‟où la nécessité de la caractérisation de leur comportement thermomécanique sur toute la plage de température de leur exploitation. Après avoir présenté les principales caractéristiques physico-chimiques et thermiques du matériau étudié et des matières premières utilisées pour sa fabrication, des essais de compression uniaxiale sont alors réalisés respectivement à : 20, 500, 700, 800, 900, 1000 et 1200°C sur des éprouvettes prélevées directement sur des briques BSAA industrielles. Les résultats sont présentés au chapitre 2. Le comportement passe de endommageable à l‟ambiante à viscoplastique endommageable à haute température. Ce comportement est confirmé par des essais complémentaires de flexion trois points dont les résultats sont reportés en annexe A. Pour tenter d‟expliquer l‟évolution du comportement mécanique du matériau étudié avec la température, des micrographies MEB sont réalisées aux températures d‟essais accompagnées d‟analyses chimiques aux mêmes températures. Les résultats sont présentés respectivement en (2.3) et (2.4). Après avoir passé en revue les différents modèles issus de la mécanique d‟endommagement, susceptibles de décrire ce comportement, notre choix est porté sur le modèle de Mazars : un modèle d‟élasticité couplé à l‟endommagement, implanté dans le code de calcul par éléments finis CAST3M. MOTS CLES: Réfractaires silico-alumineux; Supports d‟enfournement ; Contraintes thermomécaniques ; Endommagement ; Essais thermomécaniques ; Eléments finis ; Modélisation; Viscoplasticité. ABSTRACT The aim of this work consists in studying the damage behavior of silica-alumina refractory materials based on a mixture of local refractory clays: kaolin from Tamazert and halloysite from Djebel Debbagh. These materials that we have designated BSAA, are extensively used as kiln furniture and for the paving of the wagon‟s hearth of tunnel kilns. Because of this, they are submitted to cyclic thermo mechanical constraints leading to their damage. Hence the need for the thermo mechanical behavior characterization of the materials over the temperature ranges of their use. After we had presented the main thermal and physicochemical properties of the studied material and the raw materials used for its manufacture, compressive tests were carried out on test specimens cut from the BSAA bricks, at respectively: 20, 500, 700, 800, 900, 1000 and 1200°C. The results are presented in chapter 2. The material‟s behavior evolves from quasi-brittle at room temperature to viscoplastic at higher temperatures. This behavior‟s evolution was confirmed by bending tests which results are reported in Annex A. To explain the material‟s mechanical behavior according to temperature, SEM micrographs were investigated and chemical analysis done at the test temperatures. The results are shown respectively in chapters 2.3 and 2.4. The chapter 3 is devoted to the mathematical description of the material‟s thermo mechanical behavior. An elastic damage mechanics model, MAZAR‟s model, implanted in the software CAST3M, is applied to describe the BSAA refractory behavior from 20 to 1200°C. KEYWORDS: Silica-alumina refractories; Kiln furniture; Thermo mechanical behavior; Damage mechanics; Thermo mechanical tests; Finite elements; modeling; Viscoplasticity. 3 AVANT-PROPOS Ce travail s‟inscrit dans le cadre des activités de recherche du laboratoire de science et génie des matériaux de l‟école nationale polytechnique d‟Alger sur la valorisation des matières premières locales dans l‟industrie des céramiques réfractaires. Il a été réalisé sous la direction de Monsieur Nadir Mesrati, Professeur au département de métallurgie de l‟ENP. Ses connaissances et ses conseils ont contribué au bon déroulement de cette thèse. Je lui exprime ici, toute ma gratitude et mes remerciements. Les essais expérimentaux effectués dans le cadre de cette thèse ont nécessité l‟emploi de dispositifs et d‟équipements sophistiqués. Je ne saurai remercier suffisamment Monsieur Evariste Ouedraogo, Maitre de conférences à l‟école nationale supérieure d‟hydraulique et de mécanique de Grenoble de m‟avoir accueilli au laboratoire sols, solides, structures-risques ou il a dirigé mes recherches tout en faisant montre d‟une grande disponibilité. Je remercie tout particulièrement Monsieur Djeghlal Mohamed Lamine, Professeur au département de métallurgie de l‟ENP, d‟avoir accepté de présider le jury. Sa longue expérience et son immense culture constituent pour moi un facteur d‟enrichissement. Je lui exprime toute ma gratitude. Je remercie également Monsieur Hellal Fatah, Professeur à l‟école nationale polytechnique, d‟avoir accepté de participer au jury. Ses connaissances et son esprit critique ont contribué à l‟enrichissement de ce travail. Monsieur Boucheffa Youcef, Professeur à l‟Ecole Militaire Polytechnique a accepté d‟examiner ce travail. Ses observations pertinentes qui découlent de son immense savoir ont été très bénéfiques. Je lui suis reconnaissant d‟accepter de faire partie du jury. Monsieur Benyahia Ahmed Ali, Professeur à l‟Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene, a accepté de participer au jury. Sa présence a contribué à l‟enrichissement des aspects techniques et scientifiques de ce travail. Je le remercie d‟accepter d‟être membre du jury. Je ne saurais remercier suffisamment Monsieur Boumchedda Khaled, Professeur à l‟Université de Boumerdes, d‟avoir accepté de faire partie du jury. Sa longue expérience en céramurgie et ses remarques pointues ont beaucoup contribué à l‟enrichissement de cette thèse. Mes remerciements vont également au staff médical, chirurgiens et infirmiers de l‟hopital Mentouri de Kouba qui n‟ont ménagé aucun effort pour me prodiguer les soins nécessaires lors de mon hospitalisation. Leur professionnalisme et sens de responsabilité ont été pour beaucoup dans la reprise et la finalisation de ce travail. Je leur suis reconnaissant. Enfin, à mes parents, que Dieu leur Prête longue vie, à mon épouse Zohra et mon fils Ilyes, ma source d‟énergie et de courage, à mes frères et sœur, je dis: merci. 4 SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................ 9 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE Résumé………………………………………………………………………………………................12 1.1. Problématique industrielle et contexte de l’étude ................................................... 13 1.1.1. Généralités……………………………………………………………………...13 1.1.2. Les réfractaires silico-alumineux dans l‟industrie céramique………………….14 1.1.3. Les réfractaires silico-alumineux façonnés…………………………………….17 1.1.3.1. Définition…………………………………………………………………...17 1.1.3.2. Composition minéralogique et microstructure……………………………...18 1.1.3.3. Caractéristiques thermiques………………………………………………...22 1.1.4. Causes de dégradation, en service des garnissages et supports réfractaires silico- alumineux………………………………………………………………………29 1.2.Essais mécaniques normalisés sur les réfractaires…………………………………30 1.2.1. Caractéristiques mécaniques à froid……………………………………………..31 1.2.1.1. Contraintes à rupture………………………………………………………..31 1.2.1.2. Module d‟élasticité………………………………………………………….32 1.2.2. Caractéristiques mécaniques à chaud…………………………………………..34 1.2.2.1. Affaissement sous charge…………………………………………………..34 1.2.2.2. Essai de fluage à chaud……………………………………………………..36 1.2.2.3. Résistance à la flexion à chaud……………………………………………..36 1.2.2.4. Résistance aux chocs thermiques…………………………………………...36 1.2.3. Autres caractéristiques à chaud : les caractéristiques thermiques……………...37 1.2.3.1. La réfractarité……………………………………………………………….37 1.2.3.2. La dilatation thermique……………………………………………………..38 1.2.3.3. La conductivité thermique………………………………………………….39 1.2.3.4. La chaleur spécifique……………………………………………………….40 1.2.3.5. La capacité thermique………………………………………………………40 1.2.3.6. La diffusivité thermique…………………………………………………….40 5 1.3. Comportement thermomécanique des réfractaires monolithiques et façonnés……………………………………………………………………………….41 1.3.1. Introduction…………………………………………………………………….41 1.3.2. Cas particulier des céramiques à base de terre cuite…………………………...42 1.3.3. Comportement thermomécaniques des bétons réfractaires…………………….43 1.3.3.1. Comportement en compression……………………………………………..43 1.3.3.2. Comportement au fluage……………………………………………………47 1.3.3.3. Comportement en flexion…………………………………………………..48 1.3.3.4. Evolution du module d‟élasticité des bétons réfractaires avec la température………………………………………………………………….50 1.3.4. Comportement thermomécanique des bétons réfractaires préalablement cuits...50 1.3.4.1. Comportement à température ambiante…………………………………….50 1.3.4.2. Comportement à haute température………………………………………...53 1.3.4.3. Comportement au fluage……………………………………………………54 1.3.5. Conclusion sur le comportement thermomécanique des bétons réfractaires …..55 1.3.6. Comportement thermomécanique des réfractaires silico-alumineux du système silice-alumine…………………………………………………………………...55 1.3.6.1. Comportement en compression……………………………………………..55 1.3.6.2. Comportement en flexion…………………………………………………..59 1.3.6.3. Comportement au fluage……………………………………………………61 1.3.6.4. Evolution du module d‟élasticité des réfractaires du système silice –alumine avec la température………………………………………………………….64 1.3.6.5. Conclusion de l‟étude bibliographique sur le comportement thermomécanique des réfractaires du système silice-alumine………………65 1.3.6.6. Hypothèse de similarité de comportement entre les réfractaires façonnés du système silice-alumine et le béton hydraulique de génie civil………………66 1.4. Le comportement mécanique du béton hydraulique……………………………...67 1.4.1. Généralités……………………………………………………………………...67 1.4.2. Comportement en compression simple à température ambiante……………….68 1.4.3. Comportement en traction……………………………………………………...71 1.4.3.1. Comportement en traction simple…………………………………………..71 1.4.3.2. Comportement en traction par flexion……………………………………...71 1.4.3.3. Comportement en traction par fendage……………………………………..72 1.4.3.4. Comparaison entre les différents modes d‟essais en traction………………73 6 1.4.4. Comportement mécanique à chaud du béton hydraulique……………………...73 1.5. Choix de critères de ruptures adaptés...…………………………………………....74 1.6. Conclusion de l’étude bibliographique……………………………………………..75 1.7. Définition du cadre de l’étude………………………………………………………77 1.8. Bibliographie du chapitre 1..………………………………………………………..79 2. MATERIAUX ET ESSAIS Résumé……………………………………………………………………………………….83 Introduction...………………………………………………………………………………..85 2.1. Présentation du matériau étudié……………………………………………………85 2.1.1. Procédé de fabrication………………………………………………………….86 2.1.2. Les matières premières…………………………………………………………88 2.1.2.1. Le kaolin de Tamazert……………………………………………………...88 2.1.2.2. La halloysite de djebel Debbagh……………………………………………88 2.1.2.3. La chamotte…………………………………………………………………90 2.1.3. Caractéristiques physiques……………………………………………………..91 2.1.4. Composition minéralogique et microstructure…………………………………92 2.1.5. Composition chimique………………………………………………………….93 2.1.6. Propriétés thermiques…………………………………………………………..94 2.1.6.1. Réfractarité………………………………………………………………….94 2.1.6.2. Dilatation uploads/Societe et culture/ modelisation-du-comportement-thermomecanique-des-par-amrane-belaid.pdf