L'eau dans l'argile
Un article de TerraWiCotta.
L’eau est l’élément déterminant dans les propriétés des argiles et la fabrication des produits argileux. On définit la teneur en humidité massique d’une argile par la masse d’eau évaporable divisée par la masse de l’argile. La masse du matériau utilisée est généralement la masse à l’état sec. On trouve différents types d’eau au contact de l’argile, l’eau colloïdale et l’eau d’interposition, qui disparaissent au séchage à 105°C, l’eau adsorbée à la surface des micelles, l’eau d’hydratation des argiles gonflantes, et enfin l’eau de constitution. On reparlera de ces notions dans le chapitre sur le séchage (Chapitre 5). Dans le tableau 15, on distingue les propriétés de ces différents types d’eau, qui interviennent au cours d’un séchage/cuisson, en se déplaçant vers des états de plus en plus liés. On indique aussi les chaleurs à fournir pour faire passer cette eau de l’état condensé à l’état vapeur.
On considère habituellement que de nombreuses propriétés de l’argile sont associées aux particules d’argile qui sont de taille colloïdale et à leurs propriétés superficielles. En effet pour des petites particules, les forces de gravité deviennent faibles devant les forces de surface.
A la surface d'un feuillet d’argile en présence d’eau il y a une couche ionique négativement chargée qui tient aux substitutions ioniques et au fait que l’argile est formée d’anions de grande taille (O2- et OH-) dans lesquels les petits cations métalliques sont enterrés. Cette couche extérieure est donc légèrement négative et la charge est permanente (Figure 11). Les bords des cristaux d’argile ont aussi des charges ; elles ne sont pas permanentes mais varient avec le pH, H+ en milieu acide et OH- en milieu plus alcalin, et la force ionique(concentration en sels) . Cette couche extérieure négative est neutralisée par un essaim de cations qui viennent se fixer à la périphérie : des ions H+ de l’eau et d’autres cations en solution (Na+, K+…), formant une double couche électrostatique. Le tout est encore entouré de molécules d’eau partiellement polarisées qui viennent s’absorber autour. Cette couche complexe d’eau, partiellement liée, s’appelle la couche d’Helmholtz. L’état électrostatique réel des cristaux dépend donc du pH et de la force ionique de la solution. Ainsi dans les conditions les plus favorables, chaque particule d’argile serait entourée d’une double couche diffuse d’eau dont l’épaisseur (0.01 à 0.3m) est du même ordre ou même plus grande que les dimensions de la plaquette d’argile . Ce mécanisme de fixation de l’eau a une grande influence sur la plasticité, la formation de colloïdes avec la floculation et la peptisation, etc.
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pH de l’argile
Le pH de suspensions d’argiles purifiées est nettement acide (3,5 à 5) car les micelles fixent des ions OH- comme on l’a vu. Les argiles naturelles ont un pH très variable entre 3 et 9, avec la majorité entre 4 et 6, selon les compositions minérales réelles et les impuretés sous forme de sels solubles. Les argiles à forte basicité (pH 8 à 9) contiennent une forte proportion de sels solubles basiques (carbonates, bicarbonates,.). Elles sont floculées à l’état naturel. On revient sur cette notion à la section suivante. Les argiles neutres (pH 6 à 7.5) sont généralement défloculées et coulent facilement par addition de carbonate,… Les argiles acides (pH 3 à 5.5) contiennent des sels acides (sulfates, chlorures de Fe, Al, Ca, Mg) ou de l’acide sulfurique provenant de l’oxydation des pyrites. Elles sont généralement floculées..
Potentiel zêta et floculation
En solution acide, il y a des protons qui viennent s’adsorber sur la couche interne négative des feuillets d’argile et la charge nette est positive. L’inverse se produit en condition basique où la charge est négative. Quand les particules sont globalement chargées, un potentiel de l’ordre de quelques mV se forme à travers la double couche, en fonction de sa charge et de son épaisseur, appelé « potentiel zêta ». Les particules se repoussent et ne s'agglomèrent pas. La barbotine est dispersée.
Tableau 16 pH isoélectrique de différents minéraux
La particule chargée en suspension peut se déplacer dans un champ électrique pendant une électrophorèse. Au « point isoélectrique », le pH est tel qu’il n’y a pas de charge nette sur la micelle d’argile et le potentiel zêta est nul. Pour les argiles pures, le pH au point isoélectrique est généralement acide (Tableau 16). Quand les particules ne sont pas globalement chargées, elles peuvent s’agglomérer facilement. C’est la floculation.
Agglomérats
Quand des micelles d’argile s’agglomèrent, on a observé deux modes d’agglomération :
- le mode « château de cartes » quand les bords des particules viennent se fixer contre les faces des autres. Il se forme quand les bords sont légèrement chargés positif. C’est le mode le plus commun. Le fluide est non newtonien et présente une limite élastique (Figure 12) ;
- le mode « tas d’assiette » quand les disques s’entassent les uns contre les autres, faces contre faces, et forment des bandes. Ce mode est plus élastique. On l’observe dans des solutions très salées.
Des variations de pH ou de salinité peuvent donc induire des changements d’arrangement par modification des charges superficielles, et peuvent entraîner des changements importants de viscosité.
Dispersants
On voit ainsi que des changements dans les conditions ioniques de l’eau de façonnage (pH, force ionique c'est-à-dire concentration en sels solubles) vont modifier les doubles couches, les potentiels zêta, et donc les arrangements des micelles. Ils peuvent avoir une grande influence sur des propriétés importantes de l’argile comme la viscosité des barbotines et la plasticité des pâtes.
Les sels solubles de sodium sont des dispersants puissants des suspensions d’argiles : une faible concentration de silicate de sodium Na2SiO3 (ou de poly phosphate ou de polyacrylate de sodium) va modifier la double couche et favoriser la défloculation. Pour la terre cuite, on utilise parfois le carbonate de sodium, bon marché, à des doses de l’ordre du pour cent pour améliorer la plasticité et l’aptitude à l’extrusion. L’argile devient plus plastique, la quantité d’eau de façonnage peut être réduite, le feuilletage diminue et l’aspect de surface s’améliore. Les additions de soude ou de ciment, par leur modification de pH et leur consommation d’eau, sont aussi utilisées pour modifier la plasticité des pâtes argileuses. De même l’emploi de composés tensioactifs, capables de s’adsorber sur les particules colloïdales peut avoir une grande influence sur la floculation. On utilise ainsi comme défloculant des lignosulfonates (un polymère anionique, déchet de la fabrication du papier par la méthode des sulfites) à raison de 0,5 à 1 % de poids d’argile. On a aussi utilisé des tanins (Quebracho), des composés sucrés et des dextroses… Quand ces composés sont utilisés, ils permettent l’extrusion avec une humidité de façonnage plus faible. Ils rendent aussi le séchage plus uniforme.
