Potentialités d’utilisation des argiles marocaines dans l’industrie céramique : Cas des gisements de Jbel Kharrou et de Benhmed ( Meseta marocaine occidentale )

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Texte intégral

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N°d’ordre : 2310

UNIVERSITE MOHAMMED V-AGDAL

FACULTE DES SCIENCES

RABAT

THESE DE DOCTORAT

Présentée par

Nadia EL YAKOUBI

Discipline : Géologie

Spécialité : Géologie appliquée et ressources naturelles

Potentialités d’utilisation des argiles marocaines

dans l’industrie céramique : cas des gisements de

Jbel Kharrou et de Benhmed

(Meseta marocaine occidentale)

Thèse soutenue le 08 juillet 2006 devant la commission d’examen :

M. Zahraoui P.E.S., Faculté des Sciences, Rabat-Agdal Président

A. Aajjane P.E.S., Faculté des Sciences, El Jadida

M. Aberkan P.E.S., Faculté des Sciences, Rabat-Agdal

M. El Wartiti P.E.S., Faculté des Sciences, Rabat-Agdal

M. Ouadia P.E.S., Faculté des Sciences, El Jadida

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A la mémoire de mon très cher père

A ma mère

A mes frères et sœurs : Mohamed El Amine

Salima

Bouchra

Omar

Hanan

A mon mari

A mon fils Youssef

Puisse Dieu le tout puissant vous accorder bonne santé et longévité et

que je puisse toujours mériter votre bénédiction

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Avant propos

Cette thèse a été préparée à la Faculté des Sciences de Rabat, dans le cadre de l’UFR « Géologie du Quaternaire appliquée à l’Environnement et Ressources Naturelles » sous la responsabilité de Professeur M. Aberkan.

Je tiens en premier lieu, à exprimer mes sincères remerciements à Messieurs les Professeurs : H. Mssouger, H. Chlyah et W. Benjelloun respectivement Doyens de la Faculté des Sciences, Université Mohamed V de Rabat-Agdal qui m’ont permis de suivre mes études de troisième cycle dans cet établissement.

Mes sincères remerciements et ma reconnaissance à Monsieur le Professeur M. Aberkan, Responsable de l’UFR Géologie du Quaternaire appliquée à l’environnement et Ressources naturelles, et Directeur de cette thèse, qui m’a dirigé et m’a assuré un cadre et une ambiance académique enrichissante dans toutes les étapes de la réalisation de ce mémoire. Sa disponibilité, sa compétence professionnelle, sa rigueur, n’ont d’égal que la grandeur de ses qualités humaines.

Ma profonde gratitude et mes sincères remerciements s’adressent à Monsieur M. Zahraoui, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat pour l’intérêt qu’il a manifesté à l’égard de mon travail. Sa présidence de mon jury est un grand honneur pour moi.

J’exprime ma reconnaissance et profond respect pour Monsieur M. El Wartiti, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat pour intérêt qu’il a bien voulu montrer pour mon travail. IL a bien voulu accepter d’être rapporteur de ce mémoire, je lui adresse ma respectueuse reconnaissance.

Je dois une particulière reconnaissance à Monsieur M. Ouadia, Professeur à la Faculté des Sciences, Université Chouaïb Doukkali d’El Jadida. Il a toujours manifesté une bienveillance et un sérieux qui n’exclus pas la sympathie à mon égard. Il m’a aidé pour la réalisation d’analyses minéralogiques au laboratoire de l’Université de Louvain-La neuve en Belgique. Il a bien accepté d’être rapporteur de ce mémoire. Qu’il trouve ici le témoignage de ma grande gratitude.

Ma profonde reconnaissance est adressée également à Monsieur M. Aajjane, Professeur à la Faculté des Sciences, Université Chouaïb Doukkali d’El Jadida pour l’intérêt qu’il a bien montré pour mon travail en acceptant de me faire l’honneur d’être présent au sein de mon Jury.

Mes remerciements et mon admiration à Monsieur A. Azza, Ingénieur en Chef au Ministère d’Energie et des Mines auprès duquel j’ai trouvé aide et soutien moral. Sa présence dans mon jury m’honore beaucoup.

Je remercie vivement Monsieur J. Sabater, Directeur de la Société Minera Sabater pour son soutien matériel et logistique dont il m’a bénéficié pour mener ce travail à terme.

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Je n’oublierai pas le personnel du laboratoire Minera Sabater en Espagne, Teruel, pour m’avoir aidé respectueusement à réaliser mes analyses, qu’ils trouvent ici le témoignage de ma profonde reconnaissance.

Je tiens à remercier Monsieur M. Sadiqui, ancien Directeur de la Géologie au Ministère d’Energie et des Mines, pour avoir bien voulu me faciliter l’accès aux laboratoires des géomatériaux et de chimie.

Je remercie l’ensemble du personnel du laboratoire des géomatériaux, au Ministère d’Energie et des Mines dont l’ancien Chef de laboratoire Madame F. Machkouri et un recueillement à la mémoire de Madame la regrettée F. Hamouda pour l’atmosphère sympathique et amicale qu’elles ont su développer durant le déroulement de mes essais géotechniques.

J’associe dans ces remerciements toute l’équipe de laboratoire de chimie au Ministère d’Energie et des Mines, en particulier l’ancien Chef de laboratoire Madame N. El Kabbaj.

Je tiens à exprimer ma profonde gratitude et mes vifs remerciements à tout le personnel du laboratoire de l’Université de Louvain-La neuve en Belgique pour la réalisation d’analyses minéralogiques en collaboration avec Monsieur M. Ouadia.

A Monsieur A. Karim, Directeur général de la Société Ikaya, Salé, auprès duquel, j’ai bénéficié d’une grande connaissance en industrie céramique. IL n’a pas cessé de répondre à mes questions. Qu’il trouve ici l’expression de ma profonde reconnaissance.

Ma gratitude est grande envers Monsieur A. Zehni, ancien Chef de Département de la zone du Nord au BRPM pour son appui, ses conseils et ses sacrifices pour la réalisation de ce travail. Je le remercie pour l’accueil qu’il m’a réservé lors de chaque rencontre.

Je désire exprimer ma plus vive reconnaissance à Monsieur M. Oussama, ancien Chef de coopération au BRPM pour l’intérêt qu’il a porté à la résolution de mes problèmes, pour sa disponibilité et sa gentillesse.

Je saisis cette occasion pour remercier aussi mes enseignants qui m’ont transmis l’amour pour les Sciences de la terre dont je cite en particuliers Messieurs : M. Aberkan, D. Fadli, M. El Wartiti et M. Zahraoui et les autres.

Je n’oublierai jamais mes amis et confrères J. Kenafi, N. Mahmouhi, A. Talhaoui et spécialement à S. Ettazirani et M. Sadiqui pour leurs conseils fructueux. Ils ont toujours été à côté de moi dans les moments difficiles. A eux tous, je dis merci.

Je suis reconnaissante à toutes les personnes, que j’aurais oublié de mentionner ici et méritent d’être remercier, qu’ils veuillent bien m’excuser et qu’ils sachent se reconnaître dans ces remerciements.

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Résumé

Les argiles de Jbel Kharrou et de Benhmed appartenant à la Meseta occidentale ont été étudiées pour évaluer leur aptitude à être utilisées à des fins industrielles. Le présent mémoire est une mise au point sur le contexte géologique de ces argiles d’une part, et les différents résultats fournis par les études de caractérisation et les tests technologiques pour un emploi en céramique, d’autre part.

La formation argileuse ordovicienne de Jbel Kharrou (Rehamna orientaux) affleure sur plus de 30 km2. Elle est formée de couches argileuses séparées par des barres quartzitiques. Les études réalisées sur celles-ci, dans le cadre d’une recherche initiée par la Société espagnole Minera Sabater, SARL et à laquelle nous avions participé, ont porté dans un premier temps sur deux échantillons B1 et B2 les plus représentatifs, prélevés dans une formation à dominance argileuse dite formation de Demja. Les résultats probants fournis par ces deux échantillons ont conduit à la réalisation de quatre sondages carott és totalisant 166.40 mètres qui ont permis d’affirmer l’homogénéité de la couche argileuse. Il s’agit d’argilites souvent noires à aspect schisteux à la base de la formation argileuse qui passent vers le sommet à des argilites gris-blanc, avec des intercalations d’argilites rougeâtres. La puissance de la couche argileuse est très variable (elle est de 55 mètres dans le sondage 4). Cette variation verticale des faciès a été probablement liée à la morphologie du bassin ordovicien qui aurait été contrôlée par une tectonique locale ou régionale. La présence de la matière organique dans les schistes noirs a été contrôlée à son tour par une activité biologique.

Les analyses chimiques effectuées sur les deux échantillons B1 et B2 révèlent leur faible teneur en Fe2O3(inférieure à 2%), et un taux en alcalins et alcalino-terreux qui va à 6%. La teneur en silice est élevée (supérieure à 58%), celle en alumine est faible (inférieure à 26%).

Du point de vue minéralogique, les argiles étudiées sont à dominance illitique.

L’analyse granulométrique montre que 39% des particules ont un diamètre inférieur à 2µm.

Les essais technologiques poussés effectués sur ces échantillons indiquent que ces argiles, de teinte blanche à l’affleurement, peuvent être considérées comme argiles grésantes, c’est-à-dire non réfractaires, de très bonne qualité pouvant être utilisées pour la fabrication de produits céramiques tels que carreaux sols et murs, sanitaire, poterie de service, etc. Leur température de cuisson ne dépasse pas 1040°C. A cette température, les briquettes d’essais restent plates, de teinte blanc crème et sans déformation ou défauts. Les argiles testées présentent une plage de température de frittage moyenne (90°C), ce qui est un atout favorable pour une production de céramique. Les échantillons B1 et B2 sont coulables à 0,53% du défloculant Na2CO3. La résistance mécanique à la flexion est très forte à 1050°C. La perte en poids reste tolérable et le retrait à la cuisson, peu élevé (12%), peut être corrigé par l’ajout d’un dégraissant.

L’étude que nous avons menée sur les argiles de Benhmed intéresse aussi bien les formations argileuses rouges attribuées au Trias que les argilites de couleurs variables résultant de l’altération des schistes paléozoïques. Dans ce secteur, une couverture d’âge infracénomanien-Cénomanien recouvre en discordance un socle paléozoïque schisteux très plissé, ou des argiles rouges triasiques. L’ensemble est localement couvert par des dépôts quaternaires.

Les analyses chimiques des échantillons prélevés des différents faciès argileux du secteur de Benhmed prouvent que la teneur en silice est assez élevée (55%). Celle en alumine est faible (inférieure à 23%). La somme des pourcentages des alcalins et des alcalino-terreux est très relevée (atteint 15% dans les schistes paléozoïques, et 14% dans les argiles rouges triasiques), et respectivement celle en TiO2, Fe2O3 et MnO (va à 6% dans les schistes paléozoïques, et à 5% dans les argiles rouges triasiques).

Les analyses minéralogiques montrent la prédominance des illites et des kaolinites, et un pourcentage intéressant en chlorites dans les schistes paléozoïques. L’illite est le seul minéral qui prédomine les argiles rouges triasiques.

Les essais technologiques signalent que les argiles de Benhmed sont très plastiques. Le retrait à la cuisson et la perte en poids restent tolérables. Les briquettes cuites manifestent de petites résistances mécaniques à la flexion, ainsi des valeurs relativement élevées d’absorption ont été constatées. La couleur après cuisson varie du rouge au marron. La température de cuisson est inférieure à 1100°C. Ces résultats attestent que les argiles Benhmed ne sont pas d’une qualité technologique meilleure. La couleur défavorable des briquettes après cuisson, et les faibles résistances mécaniques à la flexion sont des facteurs défavorables pour un emploi apprécié de ces argiles dans l’industrie céramique. Cependant, les argiles de Benhmed sont considérées comme des argiles plastiques ou grésantes, qui peuvent avoir application dans le domaine de la briqueterie et la fabrication des carreaux murs.

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Introduction générale

L'argile est une matière première utilisée depuis l’antiquité. Elle est nécessaire pour la fabrication des objets utilisés dans la vie quotidienne. Le mot argile vient du grec "argilos" dérivé de "argos" qui veut dire blanc, ou du latin "argila"; c'est la couleur du matériau utilisé en céramique qui a conduit les anciens à lui donner ce nom.

A l'état de fines particules, les minéraux argileux sont les constituants de nombreuses formations géologiques et des sols particulièrement recherchés pour certains types de cultures. Ils sont au centre des activités des travaux de génie civil. D’autre part la fraction argileuse est utilisée comme matière première par les céramistes en raison de ses propriétés. De ce fait leurs études intéressent les géologues, les agronomes, les mineurs, les industriels, les ingénieurs des travaux publics. Une présentation générale des argiles, en fonction de leurs propriétés, a été faite par Robertson (1961, 1972) in Caillère, Hénin & Rautureau (1982). En outre, les argiles ont un rôle dans le domaine des pesticides.

Pour les géologues, les roches argileuses, ont un toucher assez doux à l’état sec, une malléabilité à l’état humide et une affinité pour l’eau. Les céramistes caractérisent les argiles par leur comportement au feu. Pour Les agronomes et les ingénieurs de génie civil, les argiles sont constituées par l’ensemble des particules minérales ayant une taille inférieure à 2µm. Les cristallographes définissent les argiles comme entité minérale appelée phyllosilicates (structure en feuillets). C’est cette forme lamellaire qui leur donne ce caractère de plasticité comme l’avait démontré pour la première fois Atterberg en 1913 (Caillère, Hénin & Rautureau, 1982).

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En gros, toute fraction qui correspond à une proportion importante de particules fines dont la taille supérieure est généralement fixée à 2µm. Cette fraction est constituée par des minéraux spécifiques dits argileux et d’autres espèces tels que, la silice, les hydroxydes, les oxydes, les carbonates, les silicates non phylliteux, etc.

Les argiles occupent une grande surface dans le monde minéral. Aussi elles occupent une grande place dans la recherche scientifique. Elles peuvent donner des indications précieuses sur les milieux de dépôts et les paléoclimats (Duchaufour, 1984) et (Akodad, 1994). De nos jours, l'utilisation des argiles, notamment celles qui sont riches en SiO2 et

Al2O3, connaît un nouvel essor dans la construction, la céramique industrielle et artisanale,

l'industrie pharmaceutique et la poterie.

Les briques d'aluminosilicates servent au revêtement des hauts fourneaux, par exemples : les fours d'affinage ; les fours des laboratoires. On élabore aussi, des matériaux céramiques plus durs que la porcelaine et la faïence traditionnelles, ainsi que des couronnes dentaires à base de quartz-alumine.

De nombreux travaux réalisés ou en cours, sont relatifs à l'utilisation des minéraux argileux comme la montmorillonite ou les inter-stratifiés riches en smectites, pour la fonderie. De même, les argiles comme la kaolinite, la palygorskite et certains mélanges de minéraux argileux, ayant une activité catalytique, favorisent la polymérisation du styrène (Meunier, 2003) et (Castelein, 2000).

La majorité des céramiques sont issues de matières premières minérales silico-alumineuses compactées et consolidées par frittage. Les matériaux argileux constituent

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souvent des mélanges naturels complexes de minéraux dont la granulométrie et les propriétés physico-chimiques sont très variables. Les critères de choix des utilisateurs sont moins liés à la composition chimique globale des matériaux argileux qu'à leur comportement pendant les différentes étapes de la fabrication des produits céramiques. Ce comportement peut cependant résulter de la composition de la matière première argileuse.

La majorité des produits céramiques sont obtenus par frittage, généralement entre 900 et 1200°C. L'étape du frittage, essentielle au procédé de fabrication des céramiques, s'accompagne de la transformation des minéraux initiaux. Il s'agit de processus complexes, difficiles à appréhender en raison du caractère progressif et / ou transitoire de certaines transformations.

Au Maroc, les terres argileuses, notamment céramiques, sont essentiellement utilisées pour la confection des matériaux de construction traditionnelle et moderne (briques, tuiles, carreaux, sanitaire) ainsi que pour la confection de nombreux articles de poterie.

Pour mieux percevoir le contexte économique, social et culturel des activités liées aux produits céramiques, nous allons présenter certains aspects de ce secteur de développement. On commence d’abord par décrire les principaux gisements d’argiles céramiques au Maroc dont il est possible d’affirmer que leurs réserves sont suffisantes pour assurer totalement ou partiellement l’alimentation d’une industrie céramique. Trois gisements essentiels d’argiles céramiques au moins ont été inventoriés, jusqu’à 1981 par Hilali & Jeannette (1981) :

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l’objet de plusieurs études géologiques et technologiques par le Ministère de l’Energie et des Mines ainsi que des sociétés étrangères, elles ont été étudiées par Destombes & Jeannette (1956), Mazéas (1962) et Malecha & Mortaji (1978). Mais les travaux effectués par Malecha (1985) ont apporté des idées nouvelles concernant la morphologie de la couche argileuse, son développement faciale et son étendue dans la région par la réalisation de tranchées et de 8 sondages carottés totalisant 697.65m. La série est constituée par des grés quartzitiques ordoviciens sur lesquels reposent en légère discordance les argiles siluriennes de puissance assez importante (200 m). Ce sont des argilites noires souvent à aspect schisteux qui constituent la base de la couche argileuse, vers le toit, elles passent aux argilites bleu-grisâtres qui deviennent progressivement gris-rougeâtres ou gris- jaunâtres et enfin remplacées par les argilites rouges dans la partie la plus haute de la couche argileuse (fig. 1). Suivant les résultats des essais technologiques, les argiles de Taghjicht sont aptes à la fabrication des produits céramiques, des carreaux sols et murs, sanitaire, etc. les réserves sont estimées à 4 186 000 tonnes peuvent encore être augmentées si les conditions d’exploitation future seront plus favorables ;

Les argiles hauteriviennes de Safi, ces argiles sont exploitées pour la poterie dans la région de Safi, formant un bassin à peu prés rectangulaire de 5 km de longueur sur 3 km de largeur, étendu à l’Est de Safi, et constituant le substratum de la ville. La base de ces argiles est constituée par un calcaire jaune en plaquettes attribué au Valanginien. Elles sont surmontées par une épaisse série de calcaire blanc cristallin qui date l’Hauterivien supérieur (fig. 2). Maézas (1967) a réalisé une carte géotechnique des environs de Safi pour en localiser les affleurements exacts. Driouiche (1982) a fait une note préliminaire sur les argiles de Safi dont il a décrit la géologie de la région et les différents sites d’exploitations de ces argiles. Driouiche en 1984, a publié les résultats d’essais technologiques pour briqueterie effectués sur

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Fig. 1 Coupe géologique à travers le gisement d’argilites du Borj (Taghjicht) d’après Mazéas, 1962 in Malecha (1985) 20m

Faille présumée 30m

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deux échantillons provenant de la région de Safi, les conclusions qui en découlent montrent que ces argiles sont aptes à servir pour briqueterie. Les réserves estimées à 5 millions de tonnes (Driouiche,1990) ;

Les marnes tertiaires de Salé et de Fès, ces marnes sont de couleur verdâtre très homogènes et largement répandues dans les couloirs de sédimentation alpine, et constituent, depuis longtemps, l’une des matières premières les plus recherchées pour les poteries traditionnelles et les briques (Hilali & Jeannette, 1981). Les marnes tertiaires sont exploitées aussi bien à Agadir, Al-Hoceima, Oujda, Nador, Taza et Tétouan, mais les gisements les plus

Fig. 2 Coupe schématique dans la falaise de Sidi Bouzid (Safi) d’après Driouiche (1982)

base calcaire de Dridrate

Hautervien supérieur

calcaire inférieur

Valanginien

argile à Exogyra Couloni avec bancs de grès calcaires

Hautervien inférieur

Jurassique série jurassique de dolomie

et calcaire dolomitique

Crétacé

1

0

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connus se situent à Salé (sur les rives de Bou-Regreg), et à Fès et Meknès (sur les collines des potiers) et à Tanger.

Géologiquement ces marnes ont fait l’objet de plusieurs études détaillées par Lecointre (1952), Taltasse (1953), Margat & Taltasse (1954). Sans oublier la thèse présentée par Bouyahyaou (1996) dont elle a établi les relations entre les différentes caractéristiques de ces marnes (géochimiques, minéralogiques et technologiques) et leur utilisation dans le domaine industriel. A Fès, les principales carrières se situent en bordure de la Médina, dans la vallée de l’Oued Zitoune au Sud de Fès Jdid. La roche est de couleur gris-bleue, mais, l’altération lui donne une couleur plus jaunâtre. A Salé, la couche argileuse suit les deux rives de Bou-Regreg, et est subdivisée en deux niveaux : un niveau inférieur bleu, compact et calcaire qui se charge de plus en plus en sables vers le niveau supérieur.

En 1987, El Khachani a présenté un rapport préliminaire sur les faciès argileux du Paléozoïque et du Trias de la région de Benhmed dont il a exposé les résultats des études, de terrain et de laboratoire pour évaluer la possibilité de leur utilisation dans les domaines de l’industrie céramique. Il a signalé que les réserves sont très importantes.

En 1996, El Khachani a présenté un autre rapport préliminaire, qui concerne, cette fois ci, les argiles céramiques paléozoïques dans quelques régions du domaine mesetien : l’anticlinorium de Khouribga-Oulmès, régions de Benhmed, de Ben Slimane, de Sidi Battache et des Rehamna. Les études géologiques ont permis de dire qu’il s’agit de formations pélitiques dont la plus importante, de point de vue puissance et aires d’affleurement, se localise dans l’Ordovicien inférieur dans l’anticlinal de Jbel Kharrou (Rehamna orientaux).

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Dans le cadre d’un travail de recherche initié par la Société Espagnole Minera Sabater, SARL sur la possibilité d’emploi en céramique des argilites de la formation ordovicienne de l’anticlinal de Jbel Kharrou (Rehamna orientaux). Nous étions amenés à réaliser une étude approfondie sur leur contexte géologique et de procéder à la détermination de leurs caractères géochimiques, minéralogiques et technologiques.

Les premières études avaient porté sur deux échantillons B1 et B2 les plus représentatifs prélevés en surface qui feront l’objet d’une partie de ce mémoire. Les résultats probants fournis par ces deux échantillons, ont conduit à la réalisation de quatre sondages carottés pour étudier l’évolution en profondeur de la formation porteuse et déterminer les potentialités du secteur. Plusieurs échantillons ont été prélevés des carottes des sondages et étudiés dans le laboratoire de la Société en Espagne.

La région de Benhmed renferme une réserve d’argiles très importante. Plusieurs carrières d’exploitation de ces ressources pour des fins industrielles sont observées dans la région de Souk Ejemaa des Rhyah au Nord-Ouest de la ville de Benhmed. L’exploitation intéresse aussi bien les formations argileuses rouges attribuées au Trias que les argilites de couleurs variables résultant de l’altération des schistes paléozoïques.

Cette contribution intéresse l’étude géologique que nous avons menée sur les formations argileuses dont les puissances visibles en argilites paléozoïques peuvent atteindre 70 mètres et celles en argiles rouges triasiques sont de 80 mètres, et la détermination des caractéristiques géochimiques, minéralogique et technologique.

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Le présent travail est une mise au point sur le contexte géologique de ces argiles, de Jbel Kharrou et de Benhmed et les différents résultats fournis par les études de caractérisation et les tests technologiques pour un emploi en céramique.

la méthodologie adoptée dans ce travail est la suivante : une analyse bibliographique ;

une étude géologique sur le terrain et un échantillonnage des argiles ;

une analyse géochimique, minéralogique et des essais technologiques très poussés des échantillons prélevés ;

enfin, l’établissement des relations entre les différentes caractéristiques des argiles pour une éventuelle utilisation dans le domaine de la céramique.

Le document présentant les résultats obtenus comporte 2 parties essentielles. La première partie est un aperçu bibliographique sur la définition des argiles, leur minéralogie, leur structure, et leur classification. Les procédés de fabrication des produits céramiques : l’extraction, le façonnage, le séchage et enfin la cuisson. Et les différents facteurs physiques et chimiques qui peuvent influencer pendant le déroulement de ces étapes. Aussi dans cette même partie, on décrit certaines applications des pâtes céramiques, et on essaie de classer les produits céramiques de point de vue auquel on se place : la classification de Brongniart (1770-1847); la classification des historiens d’arts ; et la classification des industriels. Le dernier chapitre dans cette première partie est consacré aux méthodes et techniques utilisées aux laboratoires.

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un chapitre dont nous avons procédé à une étude géologique de la région de Jbel-Kharrou, et à la détermination des caractéristiques géochimiques, minéralogique et technologiques de deux échantillons jugés les plus représentatifs. Les résultats probants, ont conduit à la réalisation de quatre sondages carottés totalisant 166.4 mètres sur des zones bien choisies. Les échantillons prélevés des carottes de sondages ont fait l’objet d’une analyse géochimique dans les laboratoires de Minera Sabater en Espagne. Cette campagne de 4 sondages, a apporté de nouvelles données concernant la morphologie de la couche argileuse, son développement facial et son étendue dans la région étudiée ;

un autre chapitre dont nous traitons les argiles de Benhmed, en réalisant une étude sur le contexte géologique et en procédant à la détermination de leurs caractères géochimiques, minéralogiques et technologiques.

Dans les deux chapitres précédents, nous essayons d’établir les relations entre les différents résultats et une éventuelle application de ces argiles dans l’industrie céramique.

Notre souhait est que cette étude appliquée à des matières premières marocaines, contribue au développement durable de notre pays. Cette préoccupation est toujours restée au cœur de notre activité de recherche sur la valorisation des matériaux locaux. Toutefois l'idée directrice de nos travaux est liée au fait que les approches du développement durable considèrent la connaissance technologique comme la variable déterminante.

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Première partie

Généralités

Chapitre 1 : Minéralogie des argiles

Chapitre 2 : Procédés de fabrication des produits céramiques

Chapitre 3 : Applications des pâtes céramiques

Chapitre 4 : Classifications des produits céramiques

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Introduction

Le but de ce chapitre est de présenter des notions de base sur la structure des minéraux argileux, comment elle détermine les propriétés physico-chimiques et aussi comment elle donne des particularités qui permettent de définir les familles et les espèces et encore des variétés d’argiles.

1-Definition des argiles

Les argiles sont des aluminosilicates plus ou moins hydratés et la majorité des minéraux argileux appartiennent au groupe des silico-aluminates phylliteux. Ils sont organisés en couches planes, constituées d'unités structurales tétraédriques et octaédriques reliées par leurs sommets. Ce type de structure à très grande surface spécifique associée à des caractéristiques physico-chimiques très particulières, explique la capacité des argiles à admettre de nombreux échanges de cations et d'anions dans le réseau ou adsorbés en surface.

2- La structure des minéraux argileux

Les minéraux argileux constituent un groupe minéralogique complexe, ce sont des phyllosilicates ou des silicates en feuillets de taille inférieure à 2µm. Cela signifie qu’ils sont formés par l’empilement de feuillets qui constituent un empilement de couches ; une ou deux couches tétraédriques, une couche octaédrique et un espace interfoliaire qui contient souvent des cations (fig. 3).

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On se basant sur leur structure, il est possible de distinguer les différents types de minéraux argileux par :

le nombres de couches d’octaèdres et de tétraèdres dans le feuillet élémentaire ; l’équidistance dans les conditions naturelles ;

les variabilités de cette équidistance sous l’action des traitements divers.

3-Les types des minéraux argileux

Fig. 3 Notion de feuillet, d’interfeuillet et de distance basale d minéral de type 1/1 (groupe des kaolinites)

d’après Castelein (2000) 6 (OH) 4 Al 2 (OH) + 4 O 4 Si 6 O d 7 A°

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Les minéraux argileux sont formés par l’empilement des feuillets élémentaires constitués à partir de deux motives de couches de base : une couche tétraédrique siliceuse et une couche octaédrique alumineuse. L’équidistance basale d ou la réflexion de base est la somme des épaisseurs du feuillet et de l’inter feuillet (fig. 3).

L’association de ces deux motives de couches conduit à trois principaux types de minéraux (tableau 1):

minéraux de type 1/1 ou T-O à une couche tétraédrique et une couche octaédrique. L’équidistance caractéristique est voisine de 7 A°. A ce type correspond le groupe de la kaolinite ;

minéraux de type 2/1 ou T-O-T à une couche octaédrique encadrée par deux couches tétraédriques. L’équidistance caractéristique varie de 9.4 à 15 A° selon le contenu de l’inter feuillet (tableau 1) ;

minéraux de type 2/1/1 ou T-O-T-O à une couche d'octaèdres encadrée par deux couches tétraédriques, et un inter feuillet constitué par un feuillet brucitique. L’équidistance caractéristique est alors d'environ 14 Å. A ce type correspond le groupe des chlorites.

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Tableau 1 : Les grandes familles des minéraux argileux d’après Callière, Hénin & Ratureau (1982)

Type de minéraux

Caractère Familles Formule chimique 7°A stable kaolinites

T -O dioctaédrique

10 °A variable halloysites

Si2O5Al2(OH)4

Si2O5Al2(OH)4nH2O n = 2 10 °A stable pyrophyllite

illites

Si4O10Al2(OH)2

( Si(4-x) Alx) O10(Al)2(OH)2(K)x x = 0.5

dioctaédrique

10 °A variable monmorillonites beidellites vermiculite dioctaédrique

Si4O10( Al(2-x/2)(R2+)x/2) (OH)2x/2 CE nH2O

( Si(4 -x)Alx) O10(Al)2(OH)2xCE ( Si(4 -x)Alx) O10 Al(2+ y/3)(OH)2 CE(x-y) 10°A stable talcs Si4O10Mg3(OH)2

T- O-T

trioctaédrique

10°A variable stévensite saponites vermiculites Si4O10(Mg(3-x) xR+)(OH) 2xCE, nH2O (Si(4 -x) xAl)O10(R2+) 3(OH)2xCE, nH2O (Si(4-x)Alx) O10 ((3- y)R2+yR3+) (OH) 2 (x-y)CE, nH2O T -O-T -O Equidistance 14°A stable

14°A variable

chlorites vraies

pseudo-chlorites

((4-x)Si xAl) O10(R2+)3 (OH)2

(xR3+ (3-x)R2+) (OH)6

(4-x)Si xAl O10 (Al)2(OH)2 XCE

( Mg3(OH)6)

feuillet brucitique mica

Beidellite

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4-Les espèces des minéraux argileux

Les minéraux argileux sont des silicates d’alumine hydratés et cristallisés. On a trois variances (Brindley & Brown, 1980).

Si ces minéraux sont à couche octaédrique discontinue, on parle de minéraux type fibreux. Ces minéraux appartiennent à la famille de la sépiolite ou de la palygorskyte. Leurs structures ont des caractères communs avec celles des phyllosilicates, car leur faciès fibreux résulte d'une discontinuité du feuillet dans le sens de la largeur. Les couches T sont continues et constituées de tétraèdres qui n'ont pas tous la même disposition. Les couches octaédriques, elles, sont discontinues. Cette rupture donne naissance à des lacunes qui forment des canaux structuraux entre des rubans. La largeur de ces rubans est caractéristique de chaque famille.

Si ces minéraux sont à couche octaédrique continue et constitués par l’empilement du même feuillet (exemples : O-T/ O-T/ O-T… ou T-O-T/ T-O-T/ T-O-T…), on parle des monophyllites, cas des minéraux types 1/1, 2/1, 2/1/1 (tableau 1).

Si ces minéraux sont à couche octaédrique continue et constitués par l’empilement des feuillets différents, cet empilement peut être régulier ( T-O-T/ O-T/ T-O-T/ O-T…) : cas des interstratifiés ou polyphyllites réguliers, ou irrégulier ( O-T/ T-O-T/ T-O-T/ O-T…) c’est à dire aléatoire : cas des interstratifiés ou polyphyllites irréguliers. Le tableau 2 présente les minéraux interstratifiés naturels les plus courants.

La plupart des groupes des minéraux argileux se divisent en deux groupes principaux ; les minéraux dioctaédriques et trioctaédriques. La distinction entre les deux groupes se fait à

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compensées par trois cations divalents ( Fe2+,Mg2+…) on parle des minéraux trioctaédriques. Si la compensation est assurée par deux cations trivalents ( Fe3+, Al3+…), il s’agit des minéraux dioctaédriques (Alliprandi, 1979).

Tableau 2 : Les minéraux inter-stratifiés naturels les plus courants (Castelein, 2000)

Chapitre 2 : Procédés de fabrication des produits céramiques

Type d'interstratification

Alternance régulière : Système à deux composés

Muscovite-montmorillonite Illite-smectite Glauconite-smectite Chlorite-smectite Chlorite-vermiculite Mica-vermiculite Serpentine-chlorite Kaolinite-smectite Alternance de type ABAA

Système à deux composés

Illite-smectite Glauconite-smectite Illite-smectite Glauconite-smectite Alternance aléatoire :

Système à deux composés Mica-vermiculite Mica-chlorite Smectite-chlorite Kaolinite-smectite Système à trois composés Illite-chlorite-smectite

(25)

Introduction

Le principe de fabrication de la céramique est fondé sur la propriété que possède l’argile de former avec l’eau, dans des proportions convenables, une pâte liante et ductile que l’on peut modeler et cuire afin d’obtenir sans déformation des produits finaux durs et sonores.

IL est bon de rappeler ici les différentes classes des matières premières susceptibles d’être employées dans les compositions céramiques. On peut distinguer deux grandes catégories :

Les matières premières plastiques qui augmentent fortement de volume en présence d’eau (argiles, marnes, kaolins, bentonites…) ;

Les matières premières non plastiques appelées également dégraissantes, dont le contact avec l’eau consiste à un simple mouillage sans variation dimensionnelle importante. Ces matières peuvent être considérées comme inertes de point de vue physico-chimique dans les conditions de leur emploi en tant qu’ajout (sables quartzeux, chamottes, feldspaths, pegmatites, scories, verre broyé, etc.).

Quatre opérations essentielles pour la fabrication d’un objet céramique à partir d’une argile sont demeurées à peu prés les mêmes au cours des âges.

(26)

Le lavage et le pétrissage de la terre sont destinés à lui donner l’homogénéité nécessaire (éliminer les bulles d’air et chasser les corps étrangers. Les moyens simples consistent à piétiner ou à battre la terre. Aujourd’hui la matière première est obtenue par mélange des argiles ou terre et des dégraissants dans un broyeur qui rend les grains plus fins.

2-Façonnage

Le façonnage peut se faire par plusieurs manières (tableau 3):

2-1-Tournage : cette technique remonte aux moins aux pharaons. Elle se fait

entièrement à la main sur le tour de potier animé d’un mouvement de rotation, permet d’obtenir des objets circulaires ;

2-2-Coulage : Cette technique apparaît au cours des dernières années du XVIII siècle.

Elle consiste à verser la pâte à l’état fluide dans un moule en plâtre présentant en creux la forme de la pièce à obtenir. Au contact du plâtre, l’eau est absorbée par capillarité. Aujourd’hui la fabrication des assiettes et des plats se fait en série grâce au calibrage mécanique ;

2-3-Pressage : Cette technique s’applique dans la fabrication des carreaux. La matière

première est injectée dans un moule qui lui donnera la forme désirée. A l’intérieur du moule la presse agit avec une charge qui peut aller jusqu’à 5000 tonnes.

(27)

Coulage :

La matière première est dosée, pulvérisée, puis mélangée avec de l’eau et le défloculant afin d’obtenir de la barbotine, qui sera versée dans des moules en plâtre

Façonnage en pâte plastique :

la matière première est préparée sous arrosage avec un taux d’humidité de 15 à 20%

Pressage en poudre :

La matière première est souvent préparée sous arrosage mais son taux d’humidité est ramené à 5 à 7% dans des tours de pulvérisations. Dans l’industrie des réfractaires, la matière première est mélangée à sec et souvent pressée avec un taux d’humidité inférieur à 2%. -Porcelaine -Sanitaire -Porcelaine électrotechnique -Produits réfractaires -Briques -Tuiles -Carreaux de grés -Porcelaine électrotechnique -Objets en grès -Grès émaillés -Produits réfractaires

-Revêtements de sol et de mur -Objets en grès

-Carreaux de grès-cérame -Céramiques techniques

Tableau 3 : Les modes de façonnages d’après Schaller, & al. (1981)

3-Séchage

Dans les industries de la céramique traditionnelle, comme dans les unités de fabrications modernes adoptant les mêmes techniques d’élaboration. Le séchage des produits façonnés avant frittage a pour but d’éliminer l’eau d’humidité qui a été rajoutée au cours de façonnage, avant de procéder à la cuisson.

3-1-Mécanisme de fixation de l’eau par les micelles argileuses

Les matières premières plastiques que l’on trouve à l’état naturel sont des silicates d’alumines, dont la structure bidimensionnelle justifie l’appellation des minéraux phylliteux. Cette morphologie particulière confère à la pâte argileuse des propriétés caractéristiques de plasticité, gonflement à l’eau, formation de colloïdes, etc. Le mécanisme de fixation de l’eau sur les particules élémentaires, appelées micelles, permet d’expliquer le phénomène de

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gonflement des argiles imbibées d’eau, ainsi que le phénomène inverse appelé retrait lorsque les matières perdent l’eau au cours du séchage (fig. 4).

Pour justifier ce mécanisme, on admet que les micelles argileuses sont formées de plaquettes, de 1 à 2 µm de diamètre pour une épaisseur de quelques dixièmes de µm, possédant des charges négatives à la surface et à la cassure des plans. Les molécules d’eau à caractère polaire vont se placer au voisinage de ces charges en formant une couche solidaire du micelle. Cette couche d’eau liée est appelée couche de Helmholtz. Au-delà les ions positifs Fig. 4 : Mécanisme de fixation de l’eau sur les micelles argileuse (Kerboul & Bossler, 1990).

Micelle H H O H H O H H O + + + O O O H H H H H H H H O H H O H H O + + + O O O H H H H H H O H H + H H O + Eau libre (atmosphère diffuse) Eau libre (atmosphère diffuse) + cation H+ou autre. - anion OH- ou autre.

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( protons de l’eau, cations des sels éventuels) viennent assurer la neutralité de l’ensemble. Ces ions sont mobiles selon l’agitation thermique, les autres molécules d’eau se disposent d’une

manière plus désordonnée, les liaisons intermoléculaires étant du type Van der Waals, donc plus faibles. L’ensemble extérieur à la couche d’ions positifs forme l’eau libre interparticulaire constituant l’atmosphère diffuse.

En somme, dans une pâte plastique, chaque micelle argileuse doit être considérée avec son auréole d’eau liée, en baignant dans l’eau interparticulaire en quantité variable. Cette disposition explique la facile mobilité des particules dans le glissement de l’une par rapport à l’autre, à l’origine de la plasticité.

3-2-Représentation de Bourry (1897)

L’opération de séchage consiste à fournir l’énergie nécessaire pour arracher les molécules d’eau à la pâte, et comme le type de liaison varie selon la nature des couches envisagées, on conçoit que plusieurs phases se succèderont lors du passage du produit plastique au produit sec (fig. 5).

Trois phases peuvent être décelées pendant le séchage des pâtes plastiques :

a-départ de l’eau libre ou faiblement liée de l’atmosphère diffuse. Le volume de la pâte diminue proportionnellement ;

b-phase intermédiaire pendant laquelle des vides commencent à se former, la pâte continue à se contracter ;

c-les pores se forment par départ de l’eau fortement liée de la couche de Helmohltz. Le volume apparent reste en principe constant.

(30)

3-3-Rôle des substances non plastiques dans le comportement de la pâte au séchage

On note que l’ajout de substances dégraissantes aux matières plastiques modifie leur comportement au séchage en influant sur le retrait et l’humidité initiale au façonnage. Le dégraissant permet de diminuer le retrait. On sait que le retrait est dû au départ de l’eau libre située entre les particules argileuses. L’augmentation du taux de dégraissant réduit la quantité d’eau libre, donc, le départ crée la contraction de l’échantillon. Tout grain dégraissant inerte, vis à vis de l’eau et placé dans la masse des micelles argileuses, occupe un site qui aurait été occupé par l’eau libre (Tuleff, 1958).

4-Cuisson

La cuisson des pâtes façonnées est la deuxième technique du feu maîtrisé par l’homme, après la cuisson des aliments. La cuisson va du simple séchage au soleil, ou au feu Fig. 5 : Représentation de Bourry (1897) d’après cours (Kerboul & Bossler, 1990)

Retrait Vide=porosité Argile Eau Volume apparent

Phase 1 Phase 2 Phase 3

Argile

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de bois en plein air, à la chauffe des fours en brique ou en terre réfractaire. La température de cuisson ne dépassant pas 800 à 900°C pour les poteries tendres des XVIe, XVIIe et XVIIIe siècle, elle peut atteindre aujourd’hui pour les pâtes dures plus de 1400°C.

4-1-Généralité sur la cuisson des matières premières céramiques

a-Cycle thermique

L’action de la chaleur sur les pâtes plastiques obtenues par mélange de plusieurs constituants, conduit à une série de transformations physico-chimiques réversibles ou irréversibles, ces transformations modifient la texture et la structure du matériau pour obtenir un produit qui possède un certain nombre de qualités propres à l’usage demandé. L’opération consiste à faire subir au matériau un cycle thermique comprenant :

-Une montée en température selon un programme donné, l’atmosphère du four est bien définie ;

-L’obtention de la température maximale avec maintien d’un palier pendant un temps plus au moins long ;

-Un refroidissement naturel ou programmé jusqu’à l’état final.

b-Paramètres conditionnant la cuisson

La température qui caractérise l’état d’agitation des molécules et atomes dans les

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Le temps qui conditionne la cinétique des transformations et intervient soit par le biais

de la vitesse de montée ou descente en température, soit lors d’un palier isotherme.

L’atmosphère du four qui peut influencer sur les transformations physico-chimiques

dans la pâte. On opère selon les cas en atmosphère oxydante, neutre ou réductrice.

4-2-Le frittage

La cuisson des compositions à base de silicates fait intervenir un processus qui, sous l’effet de la chaleur, conduit à une consolidation des ensembles granulaires des pâtes, avec formation de phases cristallines liées par une phase vitreuse en quantité plus au moins grande.

On définit le frittage comme une opération de consolidation d’ensemble granulaire par rapport à l’énergie calorifique tendant à créer une densification dans le matériau à élaborer.

4-3-Phénomènes physico-chimiques qui peuvent se produire lors de la cuisson

Plusieurs phénomènes physiques et chimiques peuvent se produire lors de la cuisson dont les résultats se complètent et permettent de donner une interprétation générale des transformations qui ont lieu.

a-phénomènes physiques

Parmi les phénomènes physiques qui se produisent au cours de la cuisson des pâtes céramiques, on cite :

*La variation du volume du matériau en fonction de la température de cuisson. Ce phénomène est mit en évidence par une analyse dilatométrique ;

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*La densification du produit final qui se produit selon deux mécanismes (Bernache-Assollant, 1993) :

-Frittage en absence de la phase liquide : lorsqu’on a plusieurs constituants qui ne donnent pas de phase liquide à une température considérée. Ce sont les phénomènes de diffusion qui conduisent à la formation de composées définis : Cas des argiles réfractaires.

-Frittage en présence de la phase liquide : Parmi les constituants dans ce cas, les fondants (alcalins et alcalino-terreux) et les éléments fusibles (Fe2O3, MnO. etc.) qui peuvent se fondre et former une phase liquide qui mouille et entre en réaction avec les autres phases solides. On dit qu’il y a vitrification de matériel. Au refroidissement on obtient une texture liée par une phase vitreuse plus au moins importante selon le cas : Cas des argiles grésantes.

b-phénomènes chimiques

Les phénomènes chimiques concernent les constituants initiaux qui se transforment pour prendre une forme plus stable. On peut différentier deux types (Bernache-Assollant, 1993) :

-Ceux concernant les minéraux fondamentaux de la matière première naturelle (les silicates et les silico-aluminates). Ces phénomènes chimiques sont le départ d’eau et les transformations à température élevée. Par exemple, au-dessus de 630°C, la kaolinite perd pratiquement tout son eau de constitution provenant de la transformation des groupements oxhydryles en liaisons oxygène par la réaction suivante :

(34)

Après déshydratation, la kaolinite se transforme en métakaolin selon la réaction suivante :

2SiO

2

,

Al

2

O

3

,

2H

2

O

2SiO

2

,

Al

2

O

3

+ 2H

2

O

Kaolinite

Métakaolin

Vers 950°C le réseau instable du métakaolin s’effondre en donnant une phase amorphe et de la mullite.

3 (2SiO

2

,

Al

2

O

3

)

4SiO

2

+

2SiO

2

,

3Al

2

O

3

Métakaolin

Silice amorphe

Mullite

L’analyse thermique différentielle et la diffractomètrie par les rayons X permettent de suivre l’évolution de ces phénomènes dans les argiles.

-Ceux concernant les composés annexes pouvant se trouver dans la matière première comme impureté, ou introduits sous forme d’ajout pour former une composition bien définie. On cite comme exemple le quartz introduit dans la pâte, il ne commence à réagir qu’au-dessus de 1000°C lorsqu’il y a apparition d’une phase liquide apportée par les feldspaths, il y a dissolution du quartz dans le flux. Lorsqu’il n’y a pas formation de phase liquide, cas des réfractaires, le quartz très fin peut en présence de minéralisateurs donner de la cristobalite à partir de 950°C (Castelein, 2000). On trouve dans la matière première argileuse plusieurs impuretés, parmi lesquelles :

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*les carbonates de calcium qui se dissocient vers 750°C

Ca CO3 CO2 + CaO

Vers 900°C CaO réagit avec le métakaolin

2SiO

2

, Al

2

O

3

+ 2CaCO

3

SiO

2

, Al

2

O

3

, 2CaO + SiO

2

+ 2CO

2

géhlénite

On note que, s’il reste de la chaux non combinée après la cuisson, elle peut se réhydrater et se carbonater, phénomène qui s’accompagne d’une augmentation de volume et provoque des défauts dans le produit final.

*La matière organique qui se dissocie par combustion des produits organiques, les produits les plus volatils commencent à brûler à 200°C, les moins volatils brûlent à 460°C. Quant au carbone fixe, sa combustion a lieu de 450 à 600°C (Lefort, 1988) et (Jouenne, 1975).

*Les sulfates de calcium se décomposent vers 1250°C par la réaction ci-dessous. En présence de kaolin ou d’argile, la décomposition a lieu à des températures inférieures (Lefort, 1988).

Ca SO4 CaO + SO2 + 1/2O2

En général, les produits issus de ces décompositions peuvent réagir avec les autres constituants et donner, selon l’atmosphère du four, de nouveaux corps formant la texture du produit final (Bouaziz & Rollet, 1972).

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4-4-Texture des produits céramiques et leur évolution en cours de cuisson

L’action de la chaleur sur la matière argileuse provoque les différents phénomènes décrits, et crée un retrait, dit retrait à la cuisson. L’analyse dilatométrique permet de suivre cette évolution de retrait, notamment la porosité. D’une manière générale, la porosité décroît avec l’élévation de la température, le diamètre des pores commence par augmenter avec disparition des fins, puis en approchant de la température de grésage, les diamètres et le nombre de pores ouverts diminuent avec formation de pores borgnes d’abord puis de pores fermés de petit diamètre. On dit que la pâte est fermée. Si la température continue d’augmenter, la grésification se poursuit, la porosité ouverte devient nulle tandis que la porosité fermée se développe avec augmentation des diamètres des alvéoles. Enfin, si la température devient trop élevée, il y a excès de phase vitreuse avec développement exagéré des alvéoles qui détériorent le matériau, on dit qu’il y a scorification (Thevenot, 1992).

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Chapitre 3 : Applications des pâtes céramiques

Introduction

A l’origine, les propriétés des pâtes céramiques étaient essentiellement mises au profit de la fabrication de céramiques : les sanitaires, les carreaux de sols et de murs, la vaisselle et les matériaux de construction. Depuis le début du 20ème siècle, grâce aux travaux de recherches menés dans le domaine des matériaux, il a été possible de développer des innovations tant dans les procédés que dans les compositions et les textures pour mettre au point des céramiques aux propriétés physiques très spécifiques (électrique, thermomécanique, optique). Ces nouveaux matériaux sont regroupés sous le terme générique de céramiques techniques. Des entreprises innovants à haut potentiel sont nées à partir des transferts de technologie des laboratoires de recherches, pour la mise au point des nouvelles applications.

Les produits de base utilisés pour la fabrication des céramiques, à l’exception des réfractaires et des produits de céramique technique, sont toutes les argiles, les chamottes (argiles cuites), les feldspaths et les sables. Pour les réfractaires et les produits de céramiques techniques, on utilise aussi de nombreux oxydes résistant aux hautes températures, comme Al2O3, l’oxyde de zirconium ZrO2et le carbure de silicium SiC (Pierre, 1994). Ces oxydes et même d’autres produits déjà traités sont achetés pour être incorporés dans les matières premières extraites.

Les céramiques industrielles sont présentes dans les aspects les plus modernes du monde d’aujourd’hui : les télécommunications, environnement, aérospatiale et aéronautique,

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1-Domaine médical

Le secteur médical utilise les bio céramiques en chirurgie réparatrice et dans le domaine dentaire. Deux générations de céramiques ont été développées ;

La première, inerte chimiquement assurait une innocuité vis-à-vis de l'organisme. On cite comme exemple, les prothèse de hanches qui sont à base d’alumine, et les prothèses dentaires à base de silice et d’alumine. Cette génération a évolué pour faire place à des matériaux capables d'interagir positivement avec les tissus environnants : ce sont les céramiques de deuxième génération comme les osselets de l'oreille, les prothèses oculaires (www. Ceramic netmork.fr).

2-Domaine de l’aéronautique et spatial

Dans ce secteur, les céramiques sont des matériaux à très forte valeur ajoutée, dit thermostructuraux. Ces composites à matrice céramique ou CMC, sont des matériaux présentant de hautes charges à la rupture, une bonne résistance à la tension, résistants aux agressions à haute température et corrosion, offrant une bonne tenue aux chocs thermiques : Eléments de turbine, chambre de combustion, filtres à gaz, collage (pâte pour joints à hauts température), etc.

3-Domaine de l’industrie papetière

L'industrie papetière a connu depuis une cinquantaine d'années, un développement considérable. En papeterie, l'utilisation des kaolins, sert à améliorer les propriétés optiques de la trame cellulosique (Delon & al. , 1982), et l'aspect esthétique de l'impression (Yvon & al., 1982).

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4-Domaine de l’industrie du caoutchouc

Des études ont montré que l’incorporation des kaolins dans la pâte d’élastomère dans la fabrication de caoutchouc, augmente sa consistance et lui donne un pigment colorant pour avoir un bon marché (Yvon & al., 1982). Aussi l’introduction de la bentonite dans le latex lui donne plus d’adhésivité et de viscosité (Njopwouo, 1988).

5-Domaine de l’environnement

Les céramistes proposent de véritables solutions pour la protection d’environnement qui est une des préoccupations majeures de ce siècle contre les gaz toxiques produits par l’industrie, les gaz d’échappements, les pollutions des eaux, etc. (www. Ceramic netmork.fr). Parmi ces solutions, on cite : les capteurs des gaz polluants ; les filtres pour moteur diesel.

6-Domaine de la métallurgie

L'élaboration des métaux et des alliages se fait à des températures élevées : entre 600 et 800°C pour l'aluminium et ses alliages, entre 1200 et 1700°C pour les fontes et les aciers ordinaires, jusqu'à 2000°C pour les aciers spéciaux. Les matériaux réfractaires utilisés dans le secteur de la métallurgie présentent une bonne résistance mécanique et chimique à haute température; ils sont utilisés, soit sous forme de briques ou pièces diverses, soit sous forme de béton coulé en place. IL s’agit des matériaux de revêtements de haut fourneau, des réfractaires résistants à la corrosion par les métaux et les sels fondus, barrière anti corrosion par les gaz et les liquides à haute température, pièces de formes pour les métaux en phase liquide pour avoir une forme définitive, etc. (www. Ceramic netmork.fr).

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7-Domaine de Design et d’habitat

Le secteur du design et de l'habitat comprend 4 grandes familles de produits : les produits sanitaires, les carreaux de sol et de mur, Articles domestiques et d’ornementation et les matériaux de construction. Dans ce secteur, l'accent est porté sur le couple qualité/esthétisme. Pour répondre à ces exigences, la recherche a mis au point de nouveaux produits et de nouveaux procédés de fabrication, par exemple, l’automatisation des chaînes de production.

8-Domaine de l’énergie

Les bonnes propriétés mécaniques des céramiques à des températures supérieures à 1200°C et leur résistance élevée à des environnements chimiques agressifs, des matériaux céramiques sont employés pour la génération et la conversion d'énergie. Parmi ces applications, on cite : les éléments chauffants pour fours à haute température, échangeurs de chaleur, éléments de batterie, etc.

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Chapitre 4 : Classifications des produits céramiques

Introduction

L’industrie céramique est très ancienne. C’est l’art de façonner l’argile et d’en fixer les formes par la cuisson. Le mot céramique désigne des produits de composition et de forme diverse, ayant pour base l’argile ou toute terre plastique. L’art de façonner l’argile pour en faire des objets rituels (pour les cérémonies religieuses) et domestiques, nécessaire à l’homme, apparaît chez les peuples primitifs et il se maintient sans discontinuité jusqu’à l’époque industrielle contemporaine. Les tessons ou les débris de céramiques sont toujours des témoins sûrs de la présence de l’homme et constituent des documents sociaux de base. Au cours de ce dernier siècle, l’utilisation des découvertes scientifiques et l’installation des usines semi-automatiques et automatiques a fait de cette industrie le caractère des grands projets d’investissements. Trois types de classifications des produits céramiques sont inventés jusqu’à présent (www.alienor.org).

1-Classification de Brongniart (1970-1847)

Au début du XIXe siècle, Alexandre Brongniat (1770-1847), directeur de la manufacture de Sèvres, minéralogiste et botaniste, considéré comme le père de la paléobotanique et le véritable fondateur de la céramique moderne, a donné une classification des produits céramiques admise par tous les historiens de la céramique, il s’agit de deux grandes catégories d’après la nature de la pâte cuite, selon qu’elle est tendre (poreuse) ou dure (imperméable).

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1-1-Poterie à pâte tendre argileuse, rayable :

*terre cuite nue (sans glaçure) ;

*poterie lustrée (à glaçure mince silico-alcaline) ; *poterie vernissée (à glaçure plombeuse) ;

*poterie émaillée (à émail stannifère) : faïence.

1-2-Poterie à pâte dure non translucide :

*Faïence fine à pâte incolore et glaçure plombeuse ; *Grès : pâte colorée avec ou sans glaçure.

1-3-Poterie à pâte dure translucide :

*Porcelaine.

2-Classification des historirnes d’arts

Pour l’historien, la céramique est une source précieuse, les tessons millénaires et l’évolution de leurs formes et de la décoration constituent des repères dans l’évolution des civilisations. Il prend en compte l'évolution historique des productions (Cosentino, 1991).

2-1-Poterie recouverte d'une glaçure

2-2-Faïences :

*Faïence au grand feu ; *Faïence au petit feu ; *Faïence fine.

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2-3-Grès : *Grès cérames communs ; *Grès fins. 2-4-Porcelaine : *Porcelaine tendre ; *Porcelaine dure ; *Biscuit.

3-Classification des techniciens et des industriels

Elle prend en compte l'objet obtenu à partir de la matière première (Ferd.Leit, 2004).

3-1-Produits de terre crue :

*Tuiles ; *Briques. 3-2-Faïences : *Vaisselles de table ; *Objets d'art ; *Carreaux de revêtement.

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3-3-Porcelaine : *Vaisselle de table ; *Objets d'art ; *Isolateurs ; *Matériel électrique. 3-4-Produits grésés : *Carreaux de dallage ; *Vaisselle ; *Objets d'art. 3-5-Céramique sanitaire : *Grès cérame ;

*Sanitaire : éviers, lavabos. etc.

3-6- Produits réfractaires :

*Produits industriels résistants aux hautes températures ;

*Produits industriels réfractaires et résistant à l'arasion : réacteurs d'avions. etc. ; *Isolants thermiques.

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Chapitre 5 : Méthodes et techniques utilisées au laboratoire

1-Introduction

Les argiles possèdent une large gamme de propriétés et d’applications. Leur valeur commerciale dépend de leurs propriétés géochimiques, minéralogiques et technologiques, dont la plasticité, la résistance mécanique à la flexion, le retrait, l’intervalle de frittage, la couleur de la surface cuite, la porosité et la capacité d’absorption.

2-Analyse granulométrique

L’analyse granulométrique permet de déterminer la répartition dimensionnelle en poids des éléments d’une roche meuble, autrement dit, elle permet la séparation des différentes classes d’éléments à l’aide d’une série de tamis à taille de mailles décroissantes de haut en bas, le tamisage est effectué sous l’eau, les refus dans chaque tamis sont séchés et pesés, les pourcentages cumulés des refus sont calculés, les résultats sont reportés sur des graphes.

3-L’analyse minéralogique par diffraction aux Rayons X

3-1-Considerations générales

La DRX constitue une des techniques les plus utiles et les plus répandues pour l'identification des minéraux argileux. Tout corps cristallisé peut être analysé par DRX ; un faisceau de rayons X est diffracté sur un réseau de plans cristallins selon la loi de Bragg:

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n=2dsin

est la longueur d'onde de la source ;

d est l'espacement entre deux plans parallèles successifs du réseau cristallin ; est l'angle entre le faisceau incident et le réseau de plans ;

n est l'ordre de la diffraction ( nombre entier).

En somme, pour une source émettrice de rayons X, le balayage selon un angle d'incidenced'une préparation représentative d'un échantillon (E), permet d'accéder à tous les espacements réticulaires (d) de l'échantillon. La figure 6 illustre la loi de Bragg et les conditions nécessaires à sa validité.

Les points S (Source) et F (récepteur) appartiennent au cercle goniométrique. Ils doivent être strictement alignés avec le point E (échantillon) pour = 0, et appartenir au cercle de focalisation, pour non nul. est l’angle entre le faisceau incident et le réseau de plans. 2est l’angle entre le faisceau diffracté F. D. et le faisceau incident F. I.

La réflexion basale des minéraux argileux correspond à l'équidistance d, somme des épaisseurs du feuillet et de l'inter feuillet.

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3-2-Application de la DRX à l’étude des minéraux argileux

Deux méthodes de préparation des échantillons pour analyses minéralogiques par DRX.

3-2-1-Préparations désorientées

Cette analyse nécessite une poudre broyée et suffisamment fine pour assurer l’homogénéité de l’échantillon. Cette méthode est très fiable et donne des résultats excellents en ce qui concerne la récupération totale de la roche.

L’échantillon en poudre est formé d'une phase cristalline donnée va toujours donner lieu à des pics de diffraction dans les mêmes directions, avec des hauteurs relatives à peu près

Fig. 6 Illustration de la loi de Bragg d’après Holtzapffel (1985) centre de cercle de focalisation

& 2& cercle goniométrique F S F.I F.D cercle de focalisation

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cristalline. Il est, donc, possible de déterminer la nature de chaque phase cristalline au sein d'un mélange (mélange de poudre), à condition d'avoir auparavant déterminé la signature de chaque phase. La détermination de cette signature peut se faire soit de manière expérimentale (mesure d'un produit pur dans des conditions idéales), soit par simulation numérique à partir de la structure cristallographique connue, ayant elle-même pu être déterminée par diffraction X. Cette signature est consignée dans une fiche sous la forme d'une liste de pics ; la position en 2θ est convertie en distance interréticulaire ''d'' par la loi de Bragg, afin d’avoir une valeur indépendante de la longueur d'onde des rayons X (et donc du type de source de rayons X utilisée). L'intensité ''I'' de chaque pic est exprimée en pourcent %, parfois en pourmille ‰, 100 %. Cette liste de pics est souvent désignée par le terme « liste de ''d—I'' ». On constitue ainsi des bases de données, et le diagramme mesuré sur le produit inconnu est comparé de manière informatique à toutes les fiches de la base de données. L'intérêt de cette méthode est qu'elle permet de distinguer les différentes formes de cristallisation d'un même composé (par exemple pour la silice), distinguer le quartz de la cristoballite. Cependant, elle ne peut pas généralement permettre d'identifier des composés amorphes. Cette technique est, donc, complémentaire de l'analyse élémentaire. La procédure d'identification des phases se fait en deux étapes : une étape de recherche dans une base puis, une étape de confrontation des fiches probables avec ce qui est possible chimiquement.

Il est important de noter que, c'est l'utilisateur qui détermine si un produit est présent ou pas : en raison des possibilités de confusion (plusieurs produits très différents pouvant avoir des signatures très proches), un algorithme automatisé ne peut pas prendre seul la décision. C'est en dernier ressort la compétence de l'utilisateur, son habileté et sa connaissance de l'échantillon qui interviennent.

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3-2-2-Préparations orientées

a-La suspension des argiles

Cette préparation à pour but la détermination précise de la fraction argileuse. Elle consiste à séparer la fraction d’éléments de diamètre inférieur à 2 µm.

Les préparations orientées sont réalisées en 6 opérations :

-Broyage : il doit aboutir à une poudre qui n’est pas trop fine pour conserver les minéraux argileux dont le diamètre est inférieur à 2 µm ( Jhons et Roberson, 1960 ; Stoll et al., 1964).

-Délitage : il est pratiqué avec de l’eau distillée, ensuite l’échantillon est soumis à une agitation magnétique. Le matériel grossier déposé au fond du flacon, est éliminé par décantation.

-Décarbonatation : elle consiste à l’élimination des carbonates (CaCO3). Cette opération est nécessaire à plusieurs titres (Holtzapffel, 1985):

les carbonates englobent les minéraux argileux, et donc, gênent leur défloculation ; diluent la fraction argileuse ;

gênent l’orientation des préparations par leur forme qui n’est pas lamellaire.

L’acide chlorhydrique dilué à 10% est ajouté goutte à goutte à la suspension d’argiles sous agitation magnétique afin d’éviter les surconcentrations locales, tout en respectant de laisser un peu de temps entre chaque attaque. Le pH est contrôlé avec pH mètre. Lorsque celui-ci devient rouge, indiquant que les carbonates sont toutes détruites, il faut arrêter l’attaque et notamment l’agitation et verser le contenu dans un Becher, ajouter de l’eau distillée. On laisse ensuite la suspension décanter.

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Si le surnageant devient déjà clair, il suffit de laver l’échantillon sans l’aide du centrifugeur, c’est à dire, verser le surnageant, ajouter de l’eau distillée, agiter, laisser décanter, et ainsi de suite jusqu’à l’obtention d’un pH neutre testé à chaque étape par le papier pH.

Sinon, on centrifuge les suspensions à 2500 tr/mn durant 5mn. Après, le surnageant est éliminé et le culot est remis en suspension dans de l’eau distillée. On récupère le culot, on teste avec du papier pH, s’il n’est pas encore neutre, il faut refaire les cycles centrifugation-remise en suspension jusqu’à ce que le pH soit neutre.

-Mise en suspension : le culot récupéré est mis dans un Becher de 250ml, ajouter de l’eau distillée, agiter manuellement, et laisser décanter pendant 1h 40mn. Si, après 10mn, le surnageant est plus au moins clair. Cela indique que la défloculation est mal réalisée. Pour ceci, on ajoute une à deux gouttes d’ammoniaque (NH4OH) qui ramène le pH au voisinage de 7 (la couleur du papier pH devient bleue), ce qui favorise la défloculation.

-Extraction des particules inférieures à 2µm : le surnageant doit être trouble pour que

la suspension soit parfaite. On récupère le contenu du 2cm supérieur du surnageant et le mettre dans un Becher de 100ml. On ajoute de l’eau distillée et on le fait centrifuger à 3500 tr/mn durant 40mn. Le culot obtenu est récupéré à l’aide d’une spatule, déposé dans des lames de verre, on les laisse sécher durant 24h à température ambiante, et passer finalement à l’analyse par diffractométrie des rayons X.

b- La détermination des minéraux argileux par DRX

L’analyse diffractométrique des préparations orientées dans les conditions naturelles est insuffisante pour distinguer certaines espèces argileuses dont les distances interfoliaires sont voisines ou variables. Elles existent des techniques indispensables qui modifient ces distances interfoliaires : cas de chauffage et la saturation par le glycérol.

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Méthode naturelle : la lame préparée ne subit pas de traitement ;

Méthode chauffée : La lame va subir un traitement permettant de caractériser les

minéraux sensibles à la chaleur (cas des minéraux hydratés qui changent de distance réticulaire, et la kaolinite qui se détruit). Cette opération est réalisée sur une lame confectionnée, portée dans un four à température de 490°C pendant 2h (Holtzapffel, 1985).

Méthode de saturation par un polyalcool : consiste à mettre sur la lame préparée une

couche de glycérol qui gonfle certains minéraux par l’augmentation de la distance réticulaire, cette méthode est utilisée surtout pour l’identification des minéraux interstratifiés (Bouyahyaoui, 1996).

Le glycérol n’est pas le seul polyalcool utilisé. On réalise cette opération parfois à l’aide de l’éthylène glycol (Holtzapffel, 1985).

Les diffractogrammes obtenus montrent des pics de diffraction, qui selon leurs positions on peut estimer semi-quantitativement les différents minéraux.

4-Analyse chimique

L’analyse chimique permet de déterminer le pourcentage des différents oxydes, les pourcentages en SiO2, en SO4et la perte au feu sont déterminés par la méthode de la chimie classique, les pourcentages en Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O et Na2O sont déterminés par la méthode d’absorption atomique.

4-1- Absorption atomique

La spectrométrie d’absorption atomique est la méthode la plus utilisée pour le dosage de Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O et Na2O.

Figure

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Références

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