Minéralogie des argiles

Les minéraux argileux sont une structure cristalline en forme de feuille, constituée d'aluminosilicates hydratés et d'ions métalliques. Il existe deux unités cristallines fondamentales de minéraux argileux, à savoir tétraédrique et octaédrique. Une unité tétraédrique appartient à quatre silicium renfermant de l’oxygène, tandis qu’une unité octaédrique est composée de six atomes d’oxygène ou d’hydroxyles situés aux angles des ions aluminium, magnésium, fer ou autres. Les schémas de base des unités tétraédriques et octaédriques sont présentés aux figures (I.5) et (I.6), respectivement.

Feuillets d’argile sous forme d’agrègat

12 Figure I.5 : Elément tétraédrique (Luckham et al, 1999)

Figure I.6 : Elément octaédrique (Luckham et al, 1999)

Sur la base de la disposition des piles, de la liaison, de la substitution isomorphe et de la présence d'ions métalliques, différents minéraux argileux peuvent être constitués. Certains des minéraux argileux courants sont la kaolinite, la montmorillonite, l’illite, la muscovite, etc. (Mitchell et Soga, 2005). Cependant, à des fins d'ingénierie, la kaolinite, la montmorillonite et l'illite revêtent une importance particulière dans le domaine de l'ingénierie géotechnique (Holtz et Kovacs, 1981).

I.2.3.4.1. Kaolinite

La kaolinite est connue comme un minéral 1:1 car sa structure cristalline consiste en une feuille tétraédrique et une feuille octaédrique. Les couches de base successives sont liées ensemble par liaison hydrogène entre les hydroxyles de la feuille octaédrique et l'oxygène de la feuille tétraédrique. En raison de cette liaison hydrogène, un grand cristal de kaolinite est développé. L'épaisseur de la couche cristalline de base est de 0,72 nm. Un schéma de la structure cristalline de la kaolinite est présenté dans la figure (I.7).

13 Figure I.7 : Structure du cristal de kaolinite (http://pubs.usgs.gov)

Comme la liaison hydrogène est très forte, l’hydratation ne peut pas se produire dans le cristal de kaolinite. Toutefois, une charge négative nette peut être développée dans la structure en raison de liaisons et substitution d'ions. En règle générale, les groupes hydroxyle exposés peuvent être remplacés par des ions échangeables et Al3+ peut remplacer le Si4+.De plus, la présence d'un ion divalent peut provoquer une substitution d'ion divalent à Al3+. Les plages de capacité d’échange de cations dans la kaolinite sont comprises entre 3 et 15 méq/100 g. La morphologie de surface du minéral de kaolinite est caractérisée par des plaques hexagonales à six côtés. La dimension latérale et l'épaisseur des plaques sont respectivement comprises entre 0,1 et 0,4 µm et entre 0,05 et 2 µm. En raison de la structure cristalline et de la morphologie, la surface spécifique typique de la kaolinite varie de 10 à 20 m2/gm.

I.2.3.4.2. Montmorillonite

L'unité de base de la montmorillonite était constituée de deux feuilles de silice et d'une feuille d'alumine. Ce minéral est appelé minéral 2:1, la distance entre les cellules unitaires étant d’environ 0,96 nm. Le dessus des feuilles de silice est lié par la force de Van der Waals et il existe un déficit net en charge négative dans la feuille octaédrique. Par conséquent, l'eau et les ions échangeables peuvent entrer et briser la couche. L’unité structurelle de la montmorillonite est présentée dans la figure (I.8). En raison de la séparation et de l'hydratation des couches, le minéral de montmorillonite est caractérisé par un comportement gonflant. En plus de cela, les minéraux de montmorillonite montrent une substitution isomorphe importante pour Si4+ et Al3+ par les cations disponibles.

Selon la littérature, Al3+ _{peut remplacer jusqu'à 15% de Si}4+ _{dans la feuille tétraédrique}

(Mitchell et Soga, 2005). Le déficit de charge global résultant de la substitution d'ions varie de 0,5 à 1,2 par cellule. Les plages typiques de capacité d’échange de cations de la montmorillonite sont comprises entre 80 et 150 méq/100 g.

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La morphologie de surface du minéral de montmorillonite est caractérisée par des flocons équi-dimensionnels et peut apparaître sous forme de films minces. En outre, une contrainte directionnelle peut provoquer une substitution importante de Fe3+ _{et / ou de Mg}2+ _{par Al}4+_{, ce}

qui peut entraîner une structure en forme d'aiguille dans la montmorillonite. En raison de la configuration inhérente et de la grande activité de surface, la surface spécifique (hors zone intercouche) de la montmorillonite peut varier de 700 à 840 m2_/gm.

Figure I.8 : Structure du cristal de montmorillonite (http://pubs.usgs.gov)

I.2.3.4.3. Illite

Le minéral Illite est composée de deux feuilles de silice et d'une feuille d'alumine. Il est appelé minéral 2:1. La configuration de base de l’unité est similaire à celle de la montmorillonite; cependant, les couches de base sont liées par du potassium. Les diamètres d'ouverture hexagonale dans la feuille de silice sont exactement similaires au rayon ionique du potassium (K+). Par conséquent, la présence de potassium (K+) rend la liaison entre les couches très forte. Le schéma de la structure d’illite est présenté dans la figure (I.9). La carence globale en charge concerne principalement les feuilles de silice et se situe entre 1,3 et 1,5 unité par cellule. La charge supplémentaire est compensée par des ions potassium (K+) non échangeables. La capacité d'échange cationique typique de la montmorillonite est comprise entre 10 et 40 méq/100 g.

15 Figure I.9 : Structure du cristal illite (http://pubs.usgs.gov)

La morphologie de l’illite en tissu se caractérise par des petites particules feuilletées hexagonales bien cristallisées. Selon Mitchell et Soga (2005), la surface de ce minéral varie de 65 à 100 m2_{/gm. La formule chimique typique des minéraux argileux est présentée dans le}

tableau (I.1).

Tableau I.1. Formules chimiques des minéraux argileux (Yang, 2002)

Minérales d'Argile Type de couche Formule chimique typique

Kaolinite 1 :1 [Si4]Al4O10(OH)8. n H2O (n= 0 ou 4) Montmorillonite 2 :1 Mx[Si8]Al3.2Fe0.2Mg0.6O20(OH)4 Illite 2 :1 Mx[Si6.8Al1.2]Al3Fe0.25Mg0.75O20(OH)4