L’argile

1.3.2.1. Définition, formation et composition.

Lorsque le drainage des roches par l'eau est suffisant, il conduit à un processus géochimique naturel relatif à la formation de la kaolinite suivant l'équation (II-3). Parmi les minéraux des matières premières argileuses, la kaolinite reste l'un des plus fréquemment souhaité et utilisé pour la fabrication des céramiques de grande diffusion comme la porcelaine, mais également des céramiques techniques.

2KAlSi3O8+2CO2 + 11H2O → 2K+

+ 2HCO3 + Si2O5Al2(OH)4 + 4H4SiO4 Feldspath → kaolinite

(II-3)

Par contre, si le drainage est faible, le transfert de potassium est incomplet et il se forme de l'illite (KAl4(Si7Al)O20(OH)4). Par ailleurs, lors d’un drainage ultérieur, cette illite peut poursuivre son hydrolyse, en expulsant le potassium, pour conduire alors à la kaolinite selon la réaction de l’ l'Equation (II-4)

KAl₄(Si₇Al)O₂₀(OH)₄ +2CO₂ +15H₂O→2K+

+ 2HCO₃+Si₂O₅Al₂(OH)₄ +4H₄SiO₄ Illite → kaolinite

(II-4)

En règle générale, plus le climat est chaud et pluvieux, plus la production de kaolinite est importante. Les argiles kaolinitiques renferment en plus de la kaolinite et d'autres phyllosilicates (micas, smectite …), des minéraux tels que les oxydes, oxyhydroxydes et hydroxydes de fer et d’aluminium, la silice, les carbonates, les sulfates. Ces impuretés dont les plus couramment rencontrées sont les composés du fer et la silice ont une forte influence sur les propriétés des argiles.

La classification des minéraux argileux est très difficile, car elle peut faire intervenir plusieurs critères différents. La classification des argiles, pour leur utilisation dans l’industrie céramique en particulier, peut se faire en fonction de la teneur en Al2O3 [43] :

 Les argiles à faible teneur en alumine (Al2O3 < 30% en masse), généralement utilisées pour la poterie.

 Les argiles à haute teneur en alumine (Al2O3 > 40% en masse) sont utilisées pour la fabrication de céramiques réfractaires.

Cette classification est très utilisée puisqu’elle est directement en relation avec les utilisations des minéraux argileux et vient en complément d'une classification plus spécifique et plus

générale, basée sur les caractéristiques structurales et morphologiques des cristaux. Par ailleurs, elle est facilement applicable aux argiles kaolinitiques. Les particularités des argiles à fortes teneurs en kaolinites seront ainsi précisées dans les paragraphes suivants.

1.3.2.2. Comportement thermique des argiles à forte teneur en kaolinite

Les transformations thermiques des kaolinites provenant des argiles peuvent donner, en fonction principalement de la température de traitement et de la vitesse, plusieurs phases cristallographiques [192]. Ces dernières comprennent l’alumine, le spinelle et la mullite [190,192,193]. La Figure II-5 présente les différentes voies de transformations de la kaolinite en mullite. La composition chimique de la mullite est souvent donnée par la formule suivante Al2(Al2+2xSi2−2x)O10−x. Avec x = 0 correspondant à la sillimanite qui est une phase cristalline similaire à la mullite. Pour x = 0,25, on retrouve la formule de la mullite secondaire (3:2) [194].

Figure II-5 : Organigramme des réactions et transformations de la kaolinite, adapté de [194]

Dans l’intervalle de température 450-550 °C, la kaolinite se transforme en métakaolinite par un processus de déshydroxylation (1). A une température d’environ 980 °C, le début de la recristallisation de la métakaolinite forme soit une structure spinelle (3), soit une phase alumine (2). Ces deux phases convergent en fonction de la prédominance en quartz pour donner naissance à de la mullite primaire (5) et (4) avec du SiO2 amorphe. A des températures supérieures à 1100 °C, le nombre et la taille des cristaux de la mullite évoluent continuellement et progressivement. La transformation de la mullite primaire en mullite secondaire se fait par un apport de silice provenant de la phase amorphe résiduelle au-delà de 1200 °C. L’avancement de la réaction (6) dépend de la température et du palier de cuisson ainsi que de la pureté initiale de la kaolinite. Parallèlement à la formation de la mullite, la silice amorphe se transforme en cristobalite. Le taux de conversion dépend de la présence d’impuretés dans la kaolinite comme les oxydes de fer et les composés alcalins qui peuvent s’associer à la silice pour favoriser l'avancement des réactions et accélérer la croissance des grains.

1.3.2.3. Valorisation des matières premières argileuses d’Afrique de l’Ouest

De nos jours, l'utilisation des argiles, en particulier celles riches en SiO₂ et Al₂O₃, a fait de grands progrès dans le domaine de la construction, la céramique industrielle et artisanale et la poterie. En Afrique de l'Ouest, il existe une demande croissante pour de tels matériaux et les réserves d'argile sont suffisantes pour répondre à cette demande [195]. La majorité de ces céramiques proviennent de matières premières silico-alumineuses compactées et consolidées par

Kaolinite

Spinelle

Alumine

Mullite primaire⁽⁶⁾ Mullite secondaire (1)

(2)

(3) ⁽⁵⁾

(4)

frittage [196]. Les argiles de kaolinite sont principalement utilisées pour l’élaboration des céramiques dans cette région. Elles sont constituées essentiellement de kaolinite qui est souvent associée à d'autres minéraux [197]. La présence du quartz est quasi systématique, provenant des processus géologiques de formation des argiles. Au Burkina Faso, les sols argileux kaolinites sont principalement utilisés comme source primaire pour les matériaux de construction (briques, tuiles et carrés). Sur la Figure II-6 est présentée une carrière de prélèvement de l’argile située dans les environs de Ouagadougou. On constate que ce matériau est principalement utilisé pour la fabrication des briques en terre pour la construction.

Figure II-6 : Carrière de prélèvement de l’argile pour la construction à Ouagadougou

Dans les sites proches de Ouagadougou (Guilloungou, Kilwin, Kounda, Poa), l’argile correspond essentiellement à de la kaolinite dans laquelle les principales phases minérales sont la kaolinite, la silice, l'alumine et la goethite. La principale transformation sous traitement thermique de ces argiles a été étudiée par Karfa [198]. Les résultats montrent que les formes des courbes TG/DSC obtenues sont similaires à celles des matériaux contenant des minéraux argileux. Les transformations correspondantes conduisent à la formation de la mullite. Par conséquent, les argiles du Burkina Faso sont des matériaux valorisables pour la production de céramiques réfractaires à haute valeur ajoutée comme la mullite.

Plusieurs auteurs [199–201] ont étudié l’influence des transformations thermiques de différentes sources de kaolinite d’Afrique de l’Ouest sur leurs propriétés thermiques. Après des traitements thermiques à 500 °C, 600 °C et 700 °C, la déshydroxylation conduit à une diminution progressive de la capacité calorifique par unité de masse. Par une caractérisation complémentaire, basée sur la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage, cette évolution ainsi que celle de la chaleur spécifique est interprétée comme une réorganisation structurale de l'argile, de modifications microstructurales et de cristallisation de la mullite et de la cristobalite. Après la déshydroxylation, les valeurs de la capacité calorifique de tous les matériaux étudiés sont similaires et concordent étroitement avec celles estimées par la règle des mélanges. Ainsi, pour la kaolinite traitée à 700 °C (métakaolinite) et à des températures plus élevées (jusqu'à 1400 °C), la capacité calorifique du matériau obtenu varie entre 750 et 1200 J·kg^-1·°C^-1 [199], ce qui est dans la plage des matériaux solides couramment utilisés pour le

stockage de la chaleur dans les CSP. Concernant la conductivité thermique, les résultats montrent que la kaolinite traitée à des températures inférieures à 1050 °C présente de faibles valeurs de conductivité thermique efficace, inférieures à 0,3 W·m^-1·K^-1. Un traitement à température plus élevée donne une forte augmentation de la conductivité thermique jusqu'à 3 W·m^-1·K^-1 [200]. Par ailleurs, au cours du traitement thermique de la kaolinite, la porosité diminue de 40 à 4% alors qu'en même temps une phase amorphe et des cristaux de mullite et de cristobalite se forment, remplaçant la structure stratifiée. Le matériau devient donc plus compact, laissant entrevoir une meilleure compacité.

La mullite est l'une des phases réfractaires les plus connues de la céramique utilisée dans le monde industriel. La mullite est la seule phase intermédiaire stable du système alumine-silice à la pression atmosphérique. L’argile de type kaolinite peut être avantageusement utilisée pour produire une telle céramique réfractaire qui, à son tour, peut être utilisée comme TESM à haute température dans les CSP. Cependant, malgré le fort intérêt suscité par ce matériel, nous avons limité notre étude à la présentation de son potentiel. En effet, les nombreux travaux dédiés à l’élaboration de céramiques à partir de cette ressource montrent que les matériaux obtenus sont principalement composés de mullite [188,195,198]. La caractérisation de la mullite élaborée à partir de ces argiles montre que les propriétés thermo physiques sont similaires à celle des céramiques industrielles et du béton utilisés dans les CSP [188,199,200,202].