Plasticité et rhéologie de la pâte argileuse
Un article de TerraWiCotta.
La propriété caractéristique des argiles est leur plasticité. La plasticité de la pâte argileuse permet de réaliser de grandes déformations sans perte de la cohésion. Elle implique l’existence d’une contrainte limite (limite élastique d’écoulement) en dessous de laquelle la pâte n’est pas déformée. Au-dessus de cette limite, la déformation est grande et sans durcissement important. C’est l’existence de ce seuil qui fait que la pâte d’argile garde sa forme après déformation. La plasticité est à la fois une propriété très importante mais très complexe car elle est la conséquence de plusieurs facteurs : la déformation, la ténacité et la cohésion. On considère habituellement que la plasticité est aussi associée aux particules de taille colloïdale de l’argile. S’il y a plus d’eau que nécessaire pour saturer les liaisons de surface, le déplacement relatif est aisé. S’il n’y a pas assez d’eau, les particules se touchent directement et les propriétés plastiques disparaissent. La plasticité dépend donc de l’eau disponible et de la surface à mouiller (liée à la taille des grains).
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Limites de plasticité et liquidité
La plasticité des pâtes argileuses est influencée par de nombreux paramètres: concentration en eau, nature de l’argile, finesse et granulométrie (plus la pâte est fine, plus elle est plastique), forme des grains, surface et orientation des particules, agrégation des particules, concentration en éléments inertes (sable, etc.), présence de sels… En partant d’une poudre d’argile sèche et en rajoutant de l’eau petit à petit, on atteint une première concentration d’eau où l’argile devient plastique. En continuant l’ajout d’eau, on atteint une deuxième concentration d’eau limite où le mélange devient liquide (barbotine). Ces deux valeurs sont dites « limite de plasticité » et « limite de liquidité » de Atterberg. La différence entre ces valeurs s’appelle l’indice de plasticité. On donne ci-dessous quelques valeurs typiques, obtenues en particulier en sur des argiles et mélanges de production italiens.
| Surface spécifique (m2/g) | Limite liquidité (%) | limite plasticité (%) | index plasticité | |
| Kaolinite (pure) | 10- 20 | 30-110 | 25-40 | 5-70 |
| Illite (pure) | 80 - 100 | 60-120 | 35-60 | 25-60 |
| Montmorillonite (pure) |
400 - 800 | 100-900 | 50-100 | 50-800 |
| Argiles
maigres italiennes |
33-38 | 22-28 | 10-16 | |
| Argiles
grasses italiennes |
46-66 | 21-31 | 20-38 | |
| Mélanges de production italiens | 35-47 | 18-26 | 16-25 |
Limites de plasticité, de liquidité et indices de plasticité de quelques argiles
Ces valeurs sont habituellement corrélées à des propriétés de la pâte comme la perméabilité, la résistance au cisaillement,… Pour les géotechniciens, Casagrande a placé les différents argiles dans un diagramme limite de liquidité / indice de plasticité. Cette présentation a été reprise par Gippini et permet de comparer des argiles sous l’aspect des propriétés de mise en forme. La ligne U correspond au maximum observable. La ligne A Les mélanges facilement mis en forme se trouvent dans le losange central. On peut aussi les placer dans un diagramme limite de plasticité / indice de plasticité.
Pâte normale
Pour une concentration intermédiaire entre les deux limites précédentes, on atteint la pâte dite de façonnage normal ou pâte« normale», c'est-à-dire bien cohésive, déformable à la main, ne collant pas au doigt et qu’un technicien exercé reproduit assez facilement. Une méthode plus contrôlable de fabrication de la « pâte normale » consiste à fabriquer une barbotine et de couler une couche de 2 à 3 mm sur un moule de plâtre qui va pomper l’eau. La couche d’argile résiduelle se détache facilement du moule de plâtre sans coller et correspond à cette composition normale. Dans cet état, les argiles peu plastiques renferment environ 15 à 20 % d’eau et les argiles très plastiques 20 à 30 %. Elles sont extrudées facilement dans une mouleuse de laboratoire.
Viscosité
Un fluide simple et visqueux obéit à la loi de Newton, c'est-à-dire que la contrainte de cisaillement induite par un mouvement est proportionnelle à la vitesse de cisaillement, le facteur de proportionnalité étant la viscosité. Cette viscosité est constante avec la vitesse.
xy = dvx/dy, avec :
- xy cisaillement ;
- viscosité ;
- dvx/dy vitesse de cisaillement ou gradient de vitesse dans la direction y normale à l'écoulement en x.
Les pâtes d’argile ne sont pas purement visqueuses et ont un comportement rhéologique beaucoup plus complexe qui s’apparente souvent à des fluides visco-élastiques de Bingham avec glissement à la paroi . En dessous d’un certain seuil de contrainte < , la pâte viscoélastique ne se déforme pas. Au-dessus, elle va se déformer et la contrainte sera liée à la vitesse de cisaillement. Cette contrainte limite d’écoulement dépend de la concentration d’eau. Et on a : <math> < f dvx/dy = 0 > = f + dvx/dy, avec : viscosité de Bingham en la considérant comme constante (fluide de Bingham). Le mouvement peut être décrit par 2 paramètres et (chacun fonction de la concentration en eau mais non de la pression ou de la vitesse). </math> La viscosité d’une suspension est plus grande que la viscosité du fluide de base. Quand on augmente la concentration en solide à partir du liquide pur, la viscosité augmente d’abord lentement. Par contre, à l’approche d’une fraction volumique critique, la viscosité de la pâte augmente très rapidement et devient infinie. Cette valeur critique dépend de la répartition granulométrique de la pâte, et donc de la compacité de la phase solide et de son état de déflocculation. Une autre propriété des écoulements d’argile est le glissement aux parois. Au contact de la paroi, la couche d’argile est moins dense car les grains frottent sur la paroi ; la couche superficielle est enrichie en eau, ce qui produit une couche de faible viscosité, avec un effet lubrifiant et un glissement global aisé de l’argile. Il faut donc décrire un double écoulement, l’écoulement en pleine section et celui de la couche de contact très fine et plus fluide. Ce mouvement superficiel se décrit aussi par deux paramètres (une viscosité et une épaisseur). Au total, il faudrait donc au moins quatre paramètres pour décrire l’écoulement de la pâte d’argile, paramètres qui sont délicats à mesurer comme on le verra par la suite. La réalité est malheureusement encore plus complexe car la viscosité de Bingham n’est généralement pas constante. La pâte est souvent thixotropique c'est-à-dire qu’elle devient relativement moins visqueuse avec le cisaillement. Cette thixotropie s’explique par l’existence des agglomérats dans le fluide, qui sont détruits par le mouvement et qui se reconstruisent lentement plus tard. Pour finaliser la complexité, il faut aussi noter la viscoplasticité de la pâte qui va évoluer et fluer dans le temps. La modélisation réaliste des écoulements dans les mouleuses, les filières et les moules est donc très difficile à réaliser de façon quantitative.
Mesure de la plasticité des pâtes
Les propriétés de plasticité en fonction de l’humidité sont évaluées par de très nombreux tests. Certains se veulent plus théoriques et d’autres plus empiriques, ce qui signifie qu’il n’y a pas un bon test qui rende entièrement compte de la complexité de la plasticité des argiles. On utilise par exemple les tests suivants :
- flexion de ruban d’argile autour de mandrins de diamètres décroissants de 220 à 35 mm jusqu’à apparition de la fissure. On évalue l’élongation maximale de l’argile avant fissure ;
- mesure des limites d'Atterberg : selon ce dernier, la limite de plasticité est définie quand on fissure un ruban d’argile en le moulant dans un moule de 3 mm de diamètre et 5 mm de long et la limite de liquidité est obtenue quand une raie standard est effacée après 25 impacts avec une cuillère ;
- mesure de la limites de plasticité par l’utilisation d'un appareil 'Pfefferkorn' qui détermine la déformation d'échantillons cylindriques (diamètre 33 mm, épaisseur 40 mm) sous l'impact d'un poids de masse connue (1 169 g) depuis une hauteur fixe de chute (186 mm). La limite de plasticité est définie quand l’épaisseur après choc est réduite à 1/3 de sa valeur initiale ;
- mesure de dureté : indentation par pénétration d'un cône à 90 degrés, sous une charge donnée.
Les essais ci-dessus donnent des informations sur les humidités de façonnage à choisir et permettent des comparaisons entre les mélanges mais ils ne fournissent pas de renseignement sur les propriétés mécaniques de la pâte. Des tests plus sophistiqués sont alors à réaliser ;
- emploi de plasticimètre de torsion ou de flexion. On applique lentement une déformation croissante sur une éprouvette d’argile et on enregistre les courbes effort/déformation en torsion ou flexion à une vitesse de déformation donnée. On mesure la limite élastique, l’effort maximal et la déformation à la rupture. L’aptitude au travail est souvent déterminée par le produit : limite élastique x déformation maximale. On réalise ces tests à différentes humidités. Si on augmente l’humidité de la pâte, la limite élastique baisse ainsi que l’effort maximal alors que la déformation à la rupture augmente. On observe souvent un maximum de l’aptitude au travail vers 25 /30 % d’eau.
Avec cet équipement, on peut aussi mesurer la viscoélasticité en appliquant brusquement une déformation et en mesurant la variation des contraintes avec le temps. Ces mesures fournissent de vraies valeurs mécaniques ; malheureusement, elles sont obtenues à la pression atmosphérique, dans des modes et des vitesses de déformation très différentes de celles utilisés dans les mouleuses et les presses ;
- tests réels d’extrusion sur une mouleuse de laboratoire ou plasticimètre à écoulement. On mesure la pression initiale à la filière à laquelle commence le filage. Puis on augmente les pressions et on mesure les débits en fonction de la pression appliquée. Pratiquement, quand l’écoulement est devenu stable, on arase le colombin au niveau de la filière et on le recoupe après un certain temps de filage. On le pèse et on vérifie son humidité. On obtient donc des relations débit/pression. Ce test est intéressant car on peut travailler à des pressions et des vitesses de cisaillement réalistes. Par un modèle simple, on peut évaluer les paramètres qui décrivent le fluide de Bingham dans des conditions représentatives. On peut donc facilement réaliser des études paramétriques : influence de l’humidité, de la pression, de la température, de différents ajouts… On peut ainsi obtenir des valeurs numériques pour le premier dimensionnement de la mouleuse industrielle.
