Analyse des matières premières

Un article de TerraWiCotta.

En plus des mesures de plasticité, les argiles sont soumises à de nombreux essais chimiques et physiques.

Analyses chimiques des argiles

Les argiles, les autres matières premières et les mélanges de production sont soumis à de nombreuses analyses chimiques. Il est souvent utile d’analyser séparément le mélange complet de production (avec le dégraissant) et la fraction argileuse, inférieure à 2 µm. On cite les principales analyses chimiques :

• composition chimique (analyse des cations Si, Al, Ti, Fe, B…) par spectroscopie d'émission de torche à plasma (ICP), ou par fluorescence des rayons X. L’imprécision des concentrations est de l’ordre de 1 % en relatif ;
• détermination minéralogique des composés cristallins par diffraction des rayons X (concentrations en kaolinite, illite, chlorite, quartz…). La méthode est semi quantitative et peut devenir quantitative avec l’emploi de bonnes références ;
• dosage des sulfates hydrosolubles (analyse des anions) par chromatographie ionique à gradient d'élution ;
• détermination du carbone total, du carbone organique et des carbonates par gravimétrie. L’erreur absolue est de l’ordre de 0,1 % ;
• dosage de la chaux libre (solubilisable) par spectroscopie d'émission ICP du macérât ;
• dosage du soufre total (en SO3-) par iodométrie, du fluor total (en F-) par colorimétrie, du chlore total (en Cl-) par argentimétrie, ou combiné par dosage du sodium et du potassium total par spectroscopie d'absorption atomique de flamme ;
• détermination des fractions thermo-émissibles de soufre, fluor et chlore par chromatographie ionique à gradient d’élution. Cette analyse est effectuée pour évaluer les problèmes de corrosion et de pollution qui seront provoqués par les fumées ;
• lixiviation (extraction des sels solubles) par macération ou percolation, et analyses des solutions extraites par spectroscopie d'absorption atomique et chromatographie ionique en vue d’évaluer les problèmes d’efflorescence ;
• contrôle de la surface chimiquement active (« essai au bleu de méthylène ») ;
• dosage de certaines liaisons chimiques par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Il est possible d’analyser le groupement OH- et de caractériser les différentes formes de liaison de l’eau dans l’argile au cours d’un cycle thermique (eau d’interposition, absorption, zéolithique, constitution). Il est possible aussi d’étudier la liaison Si-O pour le dosage du quartz. En liaison avec OH-, cette analyse donne aussi des informations sur le type des feuillets et leur caractère di- ou tri octaédrique.

Mesures des propriétés physiques des argiles

On est aussi intéressé par les caractéristiques physiques des argiles :

• L’humidité libre est mesurée par la variation de poids avant et après chauffage à 105 °C ;
• La distribution de taille des particules est déterminée par tamisage et sédimentométrie. Les particules de taille supérieure à 40 µm représentent la fraction intrinsèque de dégraissant qui est obtenue par tamisage. On poursuit l’analyse de la fraction fine par sédimentométrie. On trempe l’échantillon d’argile dans une solution aqueuse, avec un mouillant, où il se délite et forme une bouillie (barbotine). Cette technique implique l’emploi d’un liquide dans lequel les particules d’argile sont bien dispersées, les particules agglomérées sont complètement séparées et où la suspension est stable. On utilise souvent l’hexamétaphosphate de sodium. La suspension est alors soumise à une agitation énergique (souvent avec ultrasons), qui complète l’action chimique. Jusqu’à 2 µm, on analyse souvent la granulométrie avec un sédigraphe à rayons X. On laisse sédimenter la suspension un certain temps et par absorption des rayons X, on mesure la variation de la concentration en fonction de la hauteur dans le liquide sédimenté. Les mélanges sont alors séparés en classes et on peut construire les histogrammes de distribution et les courbes cumulatives. La fraction inférieure à 2 µm est la fraction dite argileuse ;
• Si nécessaire, l’étude des particules plus petites peut s’effectuer par diffusion de la lumière laser (diffusion statique et dynamique).

Cependant pour les grains fins, la forme joue un rôle très important : les particules d’argile n’ont pas la forme de sphère mais sont des plaquettes. Le sédigraphe est fondé sur le facteur de frottement hydraulique, la diffusion statique laser sur l'interaction de la lumière avec les particules et la diffusion dynamique sur le mouvement brownien et la viscosité du mélange. Les trois méthodes d’analyse, qui ont des modes d’interaction différents avec les particules fines, donnent donc des distributions différentes pour les petits grains en formes de plaquettes. La détermination précise de la fraction fine est donc délicate, à la fois sous l’aspect expérimental (désagrégation des particules) et sous l’aspect théorique. A la figure 16, on voit un exemple de courbe différentielle et de courbe cumulative d’une granulométrie d’argile obtenues avec un sédigraphe pour un mélange à boisseau assez plastique et qui contient aussi quelques gros grains ;

• La surface spécifique, caractéristique de la finesse des grains, se mesure par adsorption BET de l’azote. Sur des mélanges argileux, on mesure souvent des valeurs entre 5 et 50 m2/g.

La capacité d’échange cationique (CEC) mesure la capacité d’une argile à échanger des cations. Elle mesure la concentration en cations non fixés dans la couche diffuse et dépend de la charge totale. Elle est fonction du pH et généralement donnée à pH neutre. Un échantillon est saturé en cation (par exemple n alkyl ammonium CnH2n+1NH4+) en le mélangeant dans une solution de chlorures. Les cations présents (Na+, K+, Ca++, Mg++) sont échangés et seuls les cations rajoutés restent fixés. L’excès de cation est rincé puis remplacé par un autre cation (par exemple Na+). On mesure la quantité de cation NH3 libérée. On pratique aussi l’essai au bleu de méthylène. On mesure la quantité de bleu de méthylène nécessaire à recouvrir d’une couche mono moléculaire les surfaces argileuses d’un échantillon de 100g. On mesure une propriété liée à la surface spécifique et à la CEC.