Bentonite

Les bentonites sont des argiles naturelles très diversifiés, issues de l’altération des roches volcaniques. En raison de ses propriétés mécaniques, rhéologiques et physico-chimiques, ce matériau est très largement utilisé dans diverses branches de l’industrie (pétrolière, pharmaceutique, cosmétologique, agroalimentaire, génie civil, ingénierie environnementale comme barrière d’étanchéité contre les déchets industriels, ménagers et radioactifs, etc.), comme fluide modèle dans diverses applications et dans la vie courante. La bentonite est utilisée à l’état brut, sous forme pâteuse, ou en poudre.

La bentonite utilisée dans ce travail (VWR Prolabo France) est constituée principalement de montmorillonite de calcium (famille des smectites). L’une des principales propriétés de l’argile est la formation d’une structure de gel à faibles concentrations

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[Luckham et Rossi (1999)]. En effet, ces matériaux sont très sensibles à l’eau (hydrophile). La pénétration des molécules d’eau entre les feuillets d’argile provoque le gonflement des particules et, par conséquent, induit des modifications de leurs caractéristiques rhéologiques [Luckham et Rossi (1999) ; Besq et al. (2003) ; Suzuki (2005)].

Ces suspensions ont la caractéristique d’êtes des fluides rhéofluidifiants, thixotropes et présentent un seuil d’écoulement [Bekkour et al. (2005) ; Coussot (1993) ; Magnin et Piau (1990)]. Leur comportement rhéologique est généralement décrit par le modèle de Herschel-Bulkley [Bekkour et al. (2005) ; Kelessidis (2007)].

3.4.1.1 Microstructure

La compréhension des propriétés mécaniques de la bentonite passe par une meilleure connaissance de sa microstructure. En effet, tous les comportements à l’échelle macroscopiques (rhéologie, écoulement) mis en évidence au cours de ce travail trouvent des interprétations dans l’analyse des mécanismes de structuration-destructuration à l’échelle microscopique. Le principal composant de notre bentonite est la montmorillonite même si d’autres composants sont présents dans sa composition, tels que la smectite et l’illite et/ou la kaolinite en proportions certes moins importantes. Nous présentons dans ce paragraphe une revue bibliographique des travaux portant sur la structure multi-échelle des montmorillonites. Paumier (2007) et Benchabane (2006) ont présenté une synthèse des différents modes d’organisation microstructurale de l’argile que nous résumons très schématiquement ci-dessous.

3.4.1.1.1 Le feuillet

Les minéraux argileux appartiennent à la famille des phyllosilicates. Ce sont des minéraux en feuillets. Ces derniers sont les unités structurales de base d’une argile. Ils sont formés par un empilement de couches de silice et d’hydroxydes, couches tétraédriques4

et octaédriques⁵, respectivement. L’ordre d’empilement et le nombre de couches octaédriques et tétraédriques déterminent la structure et l’épaisseur du feuillet, à savoir : i) Un empilement d’une couche tétraédrique et d’une couche octaédrique forme un feuillet 1 : 1. ii) Un empilement de deux couches tétraédriques entourant une couche octaédrique constitue un feuillet 2 : 1.

Un ensemble de feuillets constitue une particule primaire, comme nous le verrons dans le paragraphe suivant. L’espace entre deux feuillets parallèles est dénommé espace interfoliaire. Des molécules d’eau sont susceptibles d’occuper cet espace interfoliaire et son degré d’hydratation dépend de la force des liens unissant les feuillets.

4 Une couche tétraédrique est formée de tétraèdre Si⁴⁺ entouré de quatre anions O^2- aux sommets. 5

CHAPITRE 3

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Concernant les smectites, la faible liaison entre feuillets leur permet une bonne hydratation. Néanmoins, l’hydratation peut être telle que l’argile voit son volume multiplié par vingt, ce qui conduit à désigner ces argiles par le terme "d’argiles gonflantes".

On parle de substitution isomorphe lorsqu’un ion est remplacé par un autre de valence plus faible, ce qui engendre un déficit de charge à la surface des feuillets. Cette charge négative est à l’origine du gonflement de l’argile en présence de l’eau. L’électro-neutralité est rétablie par adsorption de cations compensateurs (K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺…) à la surface des feuillets et provenant du fluide.

Dans la famille des smectites, nous sommes dans une configuration 2 : 1, avec deux couches tétraédriques encadrant une couche octaédrique. La charge d’un feuillet est comprise entre 0.2 et 0.6. Selon la nature du cation compensateur, le plus souvent Na⁺ ou Ca²⁺, les montmorillonites sont dites sodiques (Na⁺) ou calciques (Ca²⁺).

Du type des feuillets et de leur charge vont dépendre la nature minéralogique, les propriétés physico-chimiques et macroscopiques de l’argile et leur classification.

3.4.1.1.2 La particule

Les particules sont constituées de plusieurs feuillets identiques empilés parallèlement à leur plan de base. Elles sont des unités structurelles élémentaires qui constituent le premier niveau d’organisation d’une argile. Le type d’empilement des feuillets caractérise la structure de la particule et se classifie en trois grands types : i) Empilement ordonné où les feuillets sont parfaitement ordonnés dans leur empilement les uns sur les autres. ii) Empilement

semi-ordonné appelé aussi désordre translationnel. Dans ce cas, les feuillets sont séparés par une

très fine couche de molécules d’eau qui donne aux feuillets un degré de liberté, ce qui laisse les feuillets successifs présenter des translations "semi-définies". iii) Empilement désordonné ou désordre turbostratique. Dans cette configuration, le film d’eau présent entre les feuillets permet à ceux-ci une libre translation et/ou des rotations.

La dernière configuration caractérise les particules de montmorillonite, l’empilement global des feuillets est turbostatique. Dans le cas des bentonites, on trouve aussi un

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empilement hétérogène de minéraux d’où le nom bentonite interstratifiée. Les particules de cette dernière se caractérisent par un empilement soit de feuillets de nature différente, soit d’un remplissage inter-feuillet différent.

3.4.1.1.3 L’agrégat

L’agrégat est un ensemble de particules orientées aléatoirement dont l’arrangement dépend des forces interactives entre particules. L’assemblage des agrégats dépend inévitablement de la texture et de la concentration en particules dans le milieu dispersant (généralement de l’eau). Leur organisation est plus ou moins variée suivant la quantité d’eau présente et la nature de l’argile considérée.