Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
1.2.2. Influence du séchage (T ≤ 110°C) sur les propriétés des argiles
Les variations de la température et de la pression entrainent des changements de propriétés des interactions entre les grains du sol. Les minéraux argileux les plus sensibles à la température sont les argiles gonflantes (smectites) qui se transforment dès 40°C en interstratifiés illite-smectite. En effet, la couche de base de cette argile est identique à celle des illites [3 feuillets (Si-Al-Si)], mais le lien entre les couches successives est assuré par de l'eau en quantité variable. Les faibles liens retenant cette eau entre les couches favorisent la déshydratation sous des températures modérées. On assiste fréquemment à une transformation progressive en illite, pour autant que la teneur en potassium (K) soit suffisante pour créer un lien intercouche typique de ce minéral. Cette transformation entraîne des changements de composition des eaux interstitielles et un effondrement de la texture.
Entre 70 et 80° C, la destruction de la kaolinite peut déjà être déclenchée dans les sédiments argileux sous pression (Dunover de Segnonzac, 1970). Ce minéral persiste pourtant au-delà de 200°C. La kaolinite se transforme probablement en chlorite entre 150 et 200°C. S'il y a beaucoup de potassium et un pH élevé, la kaolinite se transforme en illite (Henley, 1959).
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Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
Influence sur les forces physico-chimiques entre 1.2.2.1.
particules
Les substitutions isomorphes de Si et Al par d'autres cations sont courantes dans les argiles et s'accompagnent de modifications de la charge électrique des particules vers des charges négatives. Ainsi les arêtes seront chargées négativement car il n'y a pas d'autres tétraèdres ou octaèdres à mettre en commun. Ce phénomène est plus marqué pour de petites particules et est à l'origine de l'attraction de cations divers et de la répulsion des anions. Les cations, plus ou moins hydratés selon leur nature, influenceront l'hydratation des particules argileuses. Ceci montre l'existence de forces physico-chimiques qui régissent l'équilibre entre les particules. Les observations au microscope électronique à balayage sur les associations de particules témoignent de l'importance de ces forces.
Celles-ci sont de deux types :
– Attractives provenant des liaisons :
de covalence : mise en commun d’un ou plusieurs électrons de deux atomes pour assurer l’électroneutralité ;
ionique : apport de l’électroneutralité par des cations (Na+ et Ca2+) ;
hydrogène : liaison entre un groupement A-H et un atome B pourvu que l’électroneutralité de A et la distance A-B soit suffisante ;
de Van Der Waals : Ce sont des liaisons électromagnétiques entre dipôles (Mitchell, 1976; Rosenqvist, 1959).
– Répulsives : L'hydratation des ions et particules argileuses oriente les molécules d'eau et génère des répulsions pour les particules proches jusqu'à une distance de 20 Å (Huret, 1985).
Ainsi, l’augmentation de la température accroît la tendance à la « floculation », du fait de l’accroissement des forces d’attraction entre particules (Fleureau, 1979). Aussi ce type de structure correspond-t-il, à température constante, à une compressibilité et une perméabilité plus grandes du matériau (Cittanova, 1970). C'est pour la bentonite (famille des smectites) qu'il a été obtenu les modifications de structure et les tassements les plus importants.
HURET (1985) en reprenant la théorie sur la mesure de la force de Van Der Waals entre deux particules calcule cette force à différentes températures et montre qu'elle augmente de 5% entre 5° et 80°C. Cette augmentation peut provoquer un resserrement des liaisons entre particules. Les atomes, les molécules et les particules qui
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font partie du matériau qui se déforme, sont soumis à un mouvement relatif les uns par rapport aux autres. Cette interaction se traduit par l'existence de barrières d'énergie séparant deux positions d'équilibre. Dans le cas d'un sol, le mouvement d'une particule argileuse ou d'un atome jusqu'à une nouvelle position d'équilibre, nécessite un apport d'énergie d'activation F. La rupture d'un contact au niveau atomique (lien) nécessite une certaine énergie notée dF (Mitchell, 1964). La sollicitation thermique apporte une énergie qui permet de rompre des liens et permet au matériau d'atteindre un état final d'équilibre à énergie d'activation plus élevée.
Influence sur les caractéristiques hydriques 1.2.2.2.
Globalement, chaque particule argileuse est chargée négativement sur sa surface, et les feuillets qui la composent sont plus ou moins fortement liés les uns aux autres.
L'eau contenue dans le sol est donc soumise à un champ électrique près de la surface des particules. Les molécules d'eau sont alors orientées par rapport à la paroi des particules et n'ont plus les propriétés physiques de l'eau normale : il s'agit de "l'eau liée". Chaque particule est ainsi enveloppée d'un film d'eau de nature spéciale, la "couche adsorbée".
L'eau contenue dans les argiles a un rôle essentiel dans le comportement de celles-ci du fait des liaisons qui l'unissent aux particules et lui confèrent des propriétés particulières, telles que la plasticité et la cohésion. Les molécules d'eau orientées à la surface des particules forment une chaîne le long de laquelle les propriétés de l'eau varient graduellement : au voisinage du grain ce sont celles d'un solide, alors qu'à plus de 0,5 µm de la surface des particules on retrouve les caractéristiques de l'eau libre. On distingue alors deux types d’eau :
– L’eau liée : Elle est attachée à la surface des grains par le jeu de forces d'attraction moléculaire. Ces forces décroissent avec la distance de la molécule d'eau au grain. (Rosenqvist, 1959; Yong & Warkentin, 1975;
Sergeev, 1971).
– L’eau libre : Au-delà de 0,5 µm, l'eau n'est retenue dans l'argile que par les forces capillaires et est capable de se déplacer sous l'effet de la gravité ou d'un gradient hydraulique suffisant (Marsily, 1981). Elle est aussi appelée eau interstitielle.
D'une façon générale, les forces mises en jeu sur l'eau par les particules d'argiles diminuent avec la distance. Cette zone d'influence électrique de particules argileuses sur
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les molécules d'eau est appelée double couche. L'épaisseur globale de la double couche est donnée (en première approximation) par l'équation suivante :
2 2
Cette épaisseur est uniquement fonction des caractéristiques du liquide contenu dans l’argile, et l’effet de la température sur la double couche varie d’un auteur à un autre. Ainsi :
– Une augmentation de température entraîne une augmentation de , tous les autres facteurs étant constants par ailleurs (Mitchell, 1976). Il faut cependant noter qu'une augmentation de température entraîne une diminution de D. Le Tableau 1.3 donne les valeurs de D entre 0 et 60°C.
Tableau 1.3 –Tableau des valeurs de la constante diélectrique (Mitchell, 1976).
T (°C) T (°K) Dielectric Avec T : température en degré Celsius.
– On observe une diminution du volume de l’argile suite au chauffage, qui entraine une expansion de la double couche, augmentant ainsi les forces de
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répulsion, ce qui diminue la contrainte effective et la résistance des liens entre particules, (Plum & Esrig, 1969).
– On observe en théorie, un tassement lors d’un échauffement pour un loess (limon argileux et fertile) contenant 20% d’illite en tenant compte de la variation de la constante diélectrique D, tous les autres facteurs étant constants (Huret, 1985).
Ainsi, suivant les auteurs, un chauffage entraîne une modification de la structure inter particulaire et son réarrangement, soit par un resserrement de la texture dû à la diminution de la double couche, soit par un réarrangement textural sous l'effet de forces extérieures constantes sur une texture affaiblie par une expansion de la double couche.
Influence sur les caractéristiques physiques 1.2.2.3.
Les limites de liquidité, de plasticité et l'indice de plasticité diminuent quand la température augmente en variant de 6° à 35°C (Ctori, 1989). Des essais analogues effectués sur trois argiles : molle, moyenne et raide entre 15° et 35°C aboutissent aux mêmes conclusions (Helmi El Ramli, Said Youssef, & Sabry, 1961). Cela s’explique par le fait que le sol est alors moins résistant en raison de la réduction des liaisons entre particules (Despax, 1976). YOSSED et al présentent des résultats similaires, qu'ils expliquent en se référant à la viscosité de l'eau qui diminue quand la température augmente.
Lors d’une variation de température, nous avons des phénomènes de dilatation qui se produisent dans les argiles à savoir :
– La dilation de l’eau interstitielle ;
– La dilatation des grains du sol (Fleureau, 1979);
– La dilatation du squelette granulaire (Mitchell, 1976; Cittanova, 1970).
Une augmentation de la température accroît la tendance à la « floculation » (Fleureau, 1979), ce qui correspond à une perméabilité plus grande des matériaux argileux (Cittanova, 1970).
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