Argiles Chap 4

8/12/2019 Argiles Chap 4

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Gologie des argiles Chapitre 4 Proprits

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Chapitre 4 - Proprits des argiles

IntroductionLes minraux argileux se caractrisent par trois proprits principales:- leur forme et leur surface spcifique;

- leur capacit dadsorption deau et de gonflement;- leurs multiples possibilits dchanges ioniques.

Forme et surface spcifiqueLes argiles se prsentent sous trois formes (Fig. 4.1a):- en flocons, caractriss par une mme dimension dans les deux directions et une paisseur

quivalente 1/20ime de la longueur;- en lattes, avec une dimension plus longue et une paisseur toujours quivalente 1/20ime de la

longueur;- en aiguilles prsentant deux dimensions identiques et la 3ime beaucoup plus grande (assez

rare).

Figure 4.1a Forme des particules argileuses (Velde, 1995).

Les argiles sont dfinies depuis le XIX sicle comme des minraux de petite taille. Ces minraux nesont donc pas identifiables au microscope optique. En fait, la majorit des argiles ont descaractristiques communes, ce qui justifie posteriori la dfinition. La fine taille des argiles leurconfre une surface importante par rapport au volume des particules (Fig. 4.1b). La surface relativeaugmente avec la diminution du diamtre. La surface des argiles est suprieure par rapport celles deminraux de mme taille mais de forme diffrente. Le rapport paisseur/largeur est de lordre de 20

pour les argiles. Les proprits des argiles sont principalement contrles par leur surface.

Figure 4.1b Evolution du rapport surface/volume en fonction du diamtre pour diffrentes formes departicules (sphre, cube ou feuillet) Velde, 1995.

Le tableau 4.1donnent les valeurs caractristiques des surfaces des grandes familles argileuses. Lasurface totale comprend la surface externe, comprise entre les particules argileuses, et la surface

interne, correspondant lespace interfoliaire (Fig. 4.2). Les smectites ont les surfaces totalesmaximales: surface smectites > vermiculites >>> illites > kaolinites = chlorites.


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Table 4.1 Surface spcifique des particules argileuses (Eslinger & Peaver, 1988).

Figure 4.2 Surfaces interne et externe des particulesargileuses (Eslinger & Peaver, 1988).

Degr dhydratationLe degr dhydratation varie dune famille argileuse une autre. Certains minraux argileux ont la

capacit dincorporer dans leur structure des molcules deau (Fig. 4.3). Cette eau modifie ladimension de la couche en provoquant son gonflement. Ces argiles sont appeles argiles gonflantes(swelling clays - Tab. 4.2). Les smectites, vermiculites et minraux interstratifis offrent descapacits dexpansion beaucoup plus importantes que celles des autres espces argileuses.Lincorporation deau est rversible la pression atmosphrique et dpend de la temprature et de la

pression de vapeur. Plus lair est humide, plus largile pourra incorporer de leau.

smectites

spiolite

palygorskite

illite

chlorite

kaolinite

Figure 4.3a Capacit dadsorption deau par les particules argileuses (Velde, 1992 ; 1995).


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Les minraux gonflants ont une structure de base 10. Selon lhydratation, une couche deau de2.5 ou 5.2 dpaisseur se dveloppe. Cette hydratation conduit une augmentation de volume

pouvant atteindre 95%. Notons quil existe des minraux comprenant de leau adsorbe mais qui nontpas pour autant de proprits de gonflement (i.e., groupe des argiles fibreuses). Dans un climat saisons contrastes, la prsence de smectites conduit une dstructuration du sol (e.g., vertisols): ent les smectites gonflent alors quen hiver les smectites se dshydratent et entranent la formation delarges fissures (Fig. 4.4).

Figure 4.3b Localisation de leau dans les particules argileuses (Velde, 1995).

Table 4.2 Classification des argiles selon leurs proprits de gonflement : espce argileuse, cationdominant, espace basal (en ) en conditions glycoles et sches (Velde, 1995).

Figure 4.4. Consquence du gonflement des argiles dans dun sol (La Nature, 1981).


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Charge des surfaces argileusesLes minraux argileux se caractrisent par une surface lectrique non neutre (Fig. 4.5). Il existe

deux types de charge:- une charge permanenteou structurelle lie aux substitutions ioniques (Al3+pour Si4+dans T, Mg 2+ouFe2+pour Al3+dans O), de signe ngatif;- une charge de surfacevariable selon le pH du milieu, lie au ractions chimiques qui se produisent la

surface des minraux ou suite ladsorption de surfactants, de signe + ou -.

(a) Kaolinite: for 1:1 structure, positive ions are attractedto the light-blue tetrahedral basal oxygen surface. At thesame time, negative ions are attracted to the dark-blueoctahedral hydroxyl surface.

(b) Vermiculite or smectite.for 2:1 structure, mostly positiveions are attracted to the light-blue tetrahedral basal oxygensurfaces.

Figure 4.5ab Adsorption lquilibre et change ionique (Schroeder, 2002).

La charge de surface est lie lhydrolyse de liens rompus Si-O et Al-OH le long des surfaces. Afaible pH, largile se caractrise par une capacit dchange anionique: H+ se lie davantage par rapport OH-, une charge positive se dveloppe. A fort pH, une capacit dchange cationique (CEC) se

dveloppe: Les OH-se lient davantage que H+ et une charge ngative se dveloppe (Fig. 4.5cd). Alquilibre ou au point de charge zro (ZPC), il nexiste pas de capacit dchange (Fig. 4.6).

(c) At low pH:MOH + H + = MOH 2

+(d) At high pH:

MOH + OH- = MO- + H2O

Figure 4.5cd Adsorption lquilibre et change ionique (Schroeder, 2002).

Ltude de la distribution des cations la surface des particules argileuses est modlise par lathorie de la double couche. Les modles expliquent les interactions entre la surface des argiles, lescations interfoliaires, leau interfoliaire et les solutions environnantes.La figure 4.7aprsente le modle de Gouy-Chapman. Dans ce modle, des smectites sont mises ensolution. Si la concentration en smectites est faible, les smectites vont se disperser, leau va se troubleret il y aura peu de sdimentation. On obtient une solution collodale. Sans eau, les couches T-O-T sontlies par des forces lectrostatiques mais en prsence deau les couches T-O-T sont isoles. Vu lasurface ngative des argiles, les cations de la solution vont tre attirs par la surface des particulesargileuses pour atteindre un nouvel quilibre. La concentration en cation sera plus grande proximitde la surface des argiles. Un gradient va stablir et les cations vont avoir tendance diffuser vers lasolution. On atteint une situation dquilibre dans laquelle il existe une zone limite mais diffuse danslaquelle la concentration en cation diminue avec la distance jusqu ce que la concentration gale celle

de la solution. Deux couchent sindividualisent: (1) une couche ngative la surface des argiles; (2)une couche positive juste ct (do la notion de double couche).


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With pH's below the pHZPC the solid has wouldhave anion exchange capacity.

pH's at the pHZPC , the solid would have noexchange capacity.

pH's above the pHZPC, the solid would havecation exchange capacity.

Figure 4.6 Charge de surface (Schroeder, 2002).

Lpaisseur de la double couche dpend de la charge de la surface argileuse et de la salinit. Dansun bcher, il existe une rpulsion entre les particules. Si on augmente la concentration en smectites, ladiffusion des cations vers la solution est moins prononce. la couche de Gouy est comprime et lesargiles se rapprochent davantage. Si on augmente encore la concentration en smectites, il peut y avoirune superposition des couches de Gouy. Lattraction lectrostatique permet alors aux particules desassocier avec ventuellement floculation et sdimentation.

Figure 4.7a Distribution des cations adjacents une surface argileuse:

Modle de Gouy-Chapman (Eslinger & Peaver, 1988).


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Il existe une variation du modle prcdent connu sous le nom de modle de Stern(Fig. 4.7b). Cemodle considre que les cations ont des dimensions finies. La charge ngative des argiles estcompense par les charges adsorbes dans la couche de Stern et dans la couche diffuse.

Figure 4.7b Modle de Stern (Eslinger & Peaver, 1988).

Capacit dchange cationiqueLa capacit dchange cationique (CEC) mesure la capacit dune argile changer des cations.

Elle mesure la concentration en cations non fixs dans la couche diffuse et dpend de la charge totale(i.e., charge de surface et structurale). La CEC est fonction du pH, elle est gnralement donne pourun pH neutre (7). Le principe de la mesure est illustr la figure 4.8.

Figure 4.8 Mesure de la CEC (Eslinger & Peaver, 1988).

Un chantillon est satur avec un cation en le mlangeant dans une solution de chlorures. Les cationsqui se trouvaient dans la couche diffuse vont tre changs et seuls les cations ajouts seront fixs.Lexcs de cation est rinc puis remplac par un autre cation. On mesure ensuite la quantit de cationslibrs. Les valeurs de CEC pour le principales familles argileuses sont reportes dans le tableau 4.3.


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