genie civil et geotechnique

Chapitre 9 – Argiles et industries

L’exploitation des minéraux remonte à plusieurs milliers d’années. Les argiles pour fabriquer les briques, par exemple, sont utilisées depuis au-moins 5000 ans et sont toujours utilisées actuellement, même si les techniques de production ont changé. Les minéraux industriels sont par définition des matériaux géologiques, exploités via des mines (au sens large) et qui ont une valeur commerciale. Ils peuvent être utilisés seuls ou comme additifs. Le tableau 9.1 donne à titre indicatif le prix (en livre sterling, cours 1995) à la tonne. Les argiles sont fréquemment utilisées comme minéraux industriels (e.g., kaolin, bentonite, vermiculite, argiles réfractaires). Le tableau 9.2 compare les propriétés des grandes familles argileuses.

Kaolin et des bentonites constituent la famille principale parmi les argiles industrielles. Le tableau 9.3 résume leurs applications principales.

170 Géologie des argiles Chapitre 9 Argile et industrie Figure 9.8 –Viscosité des argiles, Grim & Guven, 1978

171 Géologie des argiles Chapitre 9 Argile et industrie Figure 9.10 –capacité d’adsorption d’eau de différentes argiles -Grim & Guven, 1978Figure 9.11 –Résistance au cisaillement de différentes argiles -Grim & Guven, 1978

Dans la construction, les argiles sont un constituant essentiel pour la production de briques et tuiles. Les argiles et sédiments argileux utilisables pour les manufactures de briques sont dispersées dans le monde entier . Ils contiennent des argiles comme constituants essentiels et des fragments de roche. Le comportement de la brique dépend des réactions qui se produisent quand le matériel argileux hétérogène est chauffé. La décomposition thermique des argiles est critique lors du chauffage et les minéraux se comportent individuellement. Le tableau 9.8 donne la composition en éléments majeurs d’argiles de construction : globalement Si et Al dominent, avec un pourcentage variable de Fe, Mg, Na, Ca, K. L’abondance de certains composés peut altérer la qualité du produit fini. Par exemple, la calcite altère la couleur de la brique, des oxydes de Ca peuvent s’hydrater lors du refroidissement, le gypse peut se déshydrater puis s’hydrater à nouveau en créant une pellicule à la surface de la brique, la pyrite peut s’oxyder en sulfates ou dioxydes de S qui peuvent émettre des gaz.

Le chauffage détruit partiellement les argiles, elles fondent partiellement en formant un ciment entre les autres composants et les fragments de roche. La figure 9.12 montre un profil de température idéal avec un cycle de chauffe de 2 à 3 jours, une période d’agitation à haute température pendant 10h puis un cycle de refroidissement. Les minéraux argileux réagissent rapidement vu leur surface spécifique importante.

La figure 9.13 illustre les changements qui se produisent lors de la chauffe d’un matériel utilisé pour la fabrication de briques. L’évolution de la perte au feu traduit l’abondance de matériaux volatiles, principalement l’eau, qui restent à perdre lors de la chauffe. On distingue 3 étapes : (1) une perte d’eau régulière correspondant à la perte des volatiles jusqu’à 850°C ; (2) un plateau où la perte au feu est maintenue à 4% en poids ; (3) au-delà de 950°C, la perte est totale (< 0.5%). Le stade 2 coïncide avec la destruction des minéraux (« shrinkage »). Le stade 3 correspond à la décomposition des minéraux hydratés et à la formation d’un mélange anhydre.

Le comportement des argiles prises individuellement est mal connu., il existe peu de données sauf pour la kaolinite (Fig. 9.14). la kaolinite subit différentes transformations en fonction de l’augmentation de température. Entre 400 et 700°C, il y a perte d’eau et formation de métakaolinite (phase anhydre Al_{2Si2O7). Vers 900-1000°C, la métakaolinite se transforme à son tour en mullite (Al6Si2O13) et en spinelle Al-Si. A des températures > 1000°C et pour des durées de chauffe longue, il y a cristallisation de la silice sous forme de cristobalite.}

Les matériaux réfractaires (Fig. 9.15) sont utilisés dans les processus de production qui impliquent un contact avec des substances corrosives à haute température. Les substances doivent être inertes avec les matériaux avec lesquels ils sont en contact, ils doivent être résistants mécaniquement et stables thermiquement (T> 1500°C).

Le tableau 9.9 donne des exemples de minéraux réfractaires ou matériaux composites comme les « fireclay bricks » et des matériaux non minéraux. La distribution des phases dans un diagramme température-composition permet de prédire la température de fusion et le type de réactions. En plus des minéraux argileux, d’autres minéraux siliceux ou alumino-silicatés sont utilisés comme réfractaires. La figure montre la gamme de stabilité des minéraux argileux réfractaires dans un diagramme de phase pour le système binaire Al_{2O3-SiO2. dans ce système, le type de réfractaires produits est lié à la composition du matériel utilisé (i.e., différents rapports Al2O3/SiO2) : fireclays pour Al2O3/SiO2 < 0.5 ; chamotte ou kaolin pour}

Le tableau 9.9 donne à titre indicatif la composition en éléments majeurs de quelques argiles réfractaires. La composition minéralogique est très variable, comprenant principalement de la kaolinite, de l’illite et du quartz. On distingue différentes catégories :