Minéraux argileux

Selon les conditions d’environnement, le type d’argile formée peut être différent. Il existe plus de 80 minéraux argileux selon leurs conditions de formation (en fonction de la roche mère initiale, de la topographie du terrain et du climat) (Fig.I.7, [7]).

Figure I.7 : Formation des argiles selon les conditions d'environnement [7]

Parmi ces multiples minéraux d’argiles, on trouve trois variétés principales : kaolinite, illite et smectite.

➢ Kaolinite

Ce minéral, 2SiO2.Al2O3.2H2O, est composé de deux couches CT-CO [9] dont l’espace interfoliaire est vide (Fig.I.8a). L’épaisseur de l’unité structurale est de 7,2 Å. Les feuillets sont liés par liaisons hydrogène et la structure de cette argile est stable, l’eau ne s’adsorbe qu’autour des particules. La kaolinite a une forte teneur en alumine (46%) et présente de bonnes propriétés de plasticité, un faible retrait au séchage et à la cuisson. Elle demande une température élevée de cuisson et est assez réfractaire (forte résistance aux hautes températures) après cuisson.

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➢ Illite

Ce minéral, KxAl2[Si4-xAlxO10](OH)2-yH2O, est composé de trois couches CT-CO-CT (Fig.I.8b). Des ions K2+

sont adsorbés dans l’espace interfoliaire pour compenser le déséquilibre des charges [9]. L’épaisseur de l’unité structurale est de 10 Å. Ce minéral apporte de la plasticité, il s’agit du type d’argile le plus répandu et le plus utilisé dans la terre cuite.

➢ Smectite

Ce minéral, dont la variété naturelle la plus connue est la montmorillonite (ou bentonite) Mx⁺[(Al 2-xMgx)Si4O10(OH)2]-x.nH2O, est composé de couches CT-CO-CT (Fig.I.8c) avec des teneurs variables en Ca, Na, Al, Fe et Mg [9]. Les interchangeabilités d’ions (Mg2+, Fe3+), les compensations par des ions faiblement liés (Ca2+, Na+, K+) ainsi que leur capacité à fixer l’eau dans l’espace interfoliaire sont importantes.

En fonction de la présence d’eau, l’espace réticulaire est donc variable entre 10 et 21 Å. Les smectites ont donc des propriétés particulières de plasticité, de grandes capacités d’absorption d’eau, et par conséquent des retraits et des gonflements pouvant être importants.

Incorporation d’agents porosants dans les briques de

structure

La porosité est une propriété physique et un paramètre fondamental de la terre cuite. Elle se définit comme la structure lacunaire d’un corps solide comportant de nombreux pores (canaux microscopiques existants au sein d’une matière solide compacte). Elle représente le volume occupé par les pores par rapport au volume total du corps.

La porosité peut être ouverte (les pores tubulaires, de section circulaire ou plus ou moins aplatis) ou fermée (pores sphériques ou ayant une forme de disque). De façon générale, les produits de terre cuite présentent principalement une porosité ouverte et une faible porosité fermée.

La porosité est un facteur primordial influençant la conductivité thermique des produits, ce qui permettra d’améliorer la résistance thermique des matériaux de construction en terre cuite. Cette propriété est particulièrement étudiée par les fabricants [7]. En effet, il est possible de réaliser des briques de terre cuite remplissant à la fois les fonctions de structure, mais aussi d’isolation thermique d’un mur.

La conductivité thermique caractérise la facilité de transfert de chaleur dans le matériau selon l’équation de Fourier (I.1) :

Φ = 𝜆 ∗ 𝑆 ∗ ^𝑑𝑇 𝑑𝑥 ^{(I. 1)} 𝑎𝑣𝑒𝑐 ∶ 𝜙 ∶ 𝑓𝑙𝑢𝑥 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎𝑢 (𝑊) 𝜆 ∶ 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 (𝑊/𝑚𝐾) 𝑆 ∶ 𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝑒𝑛 𝑚²) 𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑢𝑥 𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙è𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑢 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎𝑢 𝑑^′é𝑝𝑎𝑖𝑠𝑠𝑒𝑢𝑟 𝑥 𝑒𝑡 𝑑𝑇 𝑑𝑥⁄ ∶ 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 (𝐾/𝑚)

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Ainsi, dans le but d’obtenir une résistance thermique élevée, permettant d’améliorer l’isolation thermique des produits, ceux-ci doivent présenter une conductivité thermique 𝜆 minimale (équation (I.2)) : 𝑅 = ^𝑒 𝜆 (I. 2) 𝑎𝑣𝑒𝑐 ∶ 𝑅 ∶ 𝑟é𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎𝑢 (𝑚2. 𝐾/𝑊) 𝜆 ∶ 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎𝑢 (𝑊/𝑚. 𝐾) 𝑒𝑡 𝑒 ∶ é𝑝𝑎𝑖𝑠𝑠𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑢 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎𝑢 (𝑚)

Afin de diminuer la conductivité thermique du produit fini, il est intéressant d’agir sur la porosité. En effet, pour un mélange donné, la conductivité thermique du produit est liée à sa porosité [10], [11]. Pour cela, des agents porosants peuvent être incorporés dans le mélange d’argiles avant cuisson. L’addition de ces matériaux entraine la création de pores au sein des produits diminuant leur conductivité thermique [12]–[14].

Différents types d’ajout existent pour augmenter la porosité [7], [13]–[15] : - Ajout de composés minéraux : utilisation de calcaires et carbonates

- Ajout de composés déjà poreux, inertes et stables thermiquement : utilisation d’argile poreuse - Ajout de composés organiques se décomposant, brûlant et dégageant du CO2 au cours de la cuisson : utilisation de sciure et écorces de bois, déchets organiques (résidus de papier, boues de papeterie, boues de station d’épuration), déchets végétaux, polystyrène expansé…

La nature des additifs utilisés et leurs quantités ont un impact direct sur les propriétés physiques des produits. Augmenter la porosité permettra de diminuer la conductivité thermique du produit et donc d’augmenter la résistance thermique du mur formé par les briques, l’air inséré dans les pores jouant le rôle d’isolant. En revanche, la quantité maximale d’agents porosants ajoutés dans les mélanges est limitée par la diminution des propriétés mécaniques des produits [12]–[16], baisse associée à la modification de la composition et de la microstructure de la brique suite à la création de pores. De plus, dans le cas d’additifs organiques, une trop forte concentration de porosants pourra entrainer des difficultés au niveau du contrôle de la cuisson des briques dans le four avec un risque d’emballement [7] dû à un pouvoir combustible des mélanges très haut et proche de la quantité d’énergie nécessaire à leur cuisson.

Selon le type de matériaux de terre cuite, on cherchera à obtenir des produits ayant une faible porosité (inférieure à 15% pour les tuiles) ou une forte porosité (supérieure à 20% pour les briques de structure).

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L’utilisation de boues de papeterie comme agents

porosants : effets et rôles de leur incorporation

Les mélanges utilisés sur les différents sites de production de l’entreprise Wienerberger sont définis en fonction du type de production.

L’incorporation d’agents porosants dans les mélanges argileux se fait au cours de leur préparation. Ces mélanges seront alors constitués de deux phases distinctes : une part minérale, caractérisée par une phase argileuse pure ou par un mélange dans la majorité des cas, et une part organique, composée d’agents porosants de différentes natures. Selon le site de production et les produits élaborés, les proportions de ces deux phases peuvent varier.

La part organique est le plus généralement constituée de boues de papier introduites dans des proportions pouvant varier entre 7 % et 15 % massique (en sec). Elles peuvent également être complétées par d’autres types de porosants organiques tels que des sciures de bois ou d’autres résidus végétaux et/ou céréaliers.

Les boues de papier sont des résidus et des déchets provenant de l’industrie papetière. En production, les boues de papeterie utilisées pour la fabrication des briques de structure proviennent de différents fournisseurs. Elles présentent donc des caractéristiques, comportements et aspects variés selon la papeterie d’origine, comme observé sur la Figure I.9.

Figure I.9 : Aspects après séchage de boues de papier de diverses origines utilisées sur les sites de production Wienerberger

Les boues de papier sont constituées de deux parties distinctes : une part organique fibreuse et une part minérale (composée majoritairement de calcaire) dont les proportions dépendent très fortement du type de papier produit, par exemple du carton recyclé, des papiers d’impression ou des produits sanitaires.

Ajoutées en tant qu’agent porosant, l’utilisation de boues de papeterie dans les mélanges industriels joue plusieurs rôles dans le procédé de fabrication et sur les propriétés des produits céramiques [3], [10], [16]–[18]. Leur incorporation aura notamment un impact sur le processus de séchage des produits et sur leur résistance thermique, et présentera un bénéfice énergétique pour la cuisson.