Roches argileuses

Un article de TerraWiCotta.

Ce sont des roches argileuses, et non des minéraux, qui sont utilisées comme matière de base pour la terre cuite. Par définition, ces roches contiennent au moins 50 % de minéraux silico-alumineux. Souvent plusieurs minéraux argileux différents sont associés dans un gisement, auxquels viennent s’ajouter d’autres minéraux non argileux très divers selon la sédimentation de la roche : sable (quartz) et silicates (feldspath, mica), calcaire et autres carbonates, oxydes et hydroxydes, sels solubles, matériaux ferrifères et matériaux organiques (humus). Parmi les roches sédimentaires continentales ou marines, les roches argileuses sont très abondantes. Ce sont des roches tendres, rayables à l’ongle, fragiles à l’état sec, faisant une pâte plastique avec l’eau et durcissant à la cuisson. Dans le gisement, elles peuvent être disposées en couche épaisse ou alterner avec d’autres couches (calcaire, grès). Du fait de leur imperméabilité, elles jouent un grand rôle dans les circulations et accumulations de fluides (eau, pétrole, gaz).


De façon pratique, on distingue souvent les argiles grasses et les argiles maigres suivant qu’elles sont très ou peu plastiques, les argiles blanches ou colorées, les argiles grésantes ou réfractaires selon leur comportement à la cuisson, les argiles smectiques, c'est-à-dire absorbantes et dégraissantes (terre à foulon). Selon le mode de formation, on parle les argiles d’altération provenant de la dégradation des roches selon le climat, les argiles résiduelles qui sont restées sur place après la dissolution des roches les ayant contenues (exemple : argile de décalcification). On parle aussi de terre glaise, ou glaise (terre grasse et compacte fortement argileuse que l’eau ne pénètre pas), de marne (mélange de calcaire et d’argile).

Sommaire

Caractéristiques des principales argiles des carrières françaises pour terre cuite

Les roches argileuses employées en terre cuite en France (d'après L. Alviset) [VI] sont de natures chimiques et minéralogiques très variées, le plus souvent de type illitique ou kaolino-illitique. Nous donnons ci-après des analyses typiques d’argiles françaises ainsi que les limites entre lesquelles varient les différents éléments dosés par analyse chimique (%), déjà données au tableau précédent. La perte au feu correspond à la perte de poids d’un échantillon sec, après un chauffage à 1 050 °C. Il inclut l’eau hygroscopique résiduelle, l’eau de constitution, la combustion des matières organiques, la décomposition des carbonates et, à un niveau moindre, des composés soufrés.

On note les conclusions classiques suivantes  :

  • l’argile kaolinitique D a une forte concentration en Al2O3 ;
  • les pertes au feu sont importantes sur les argiles calcaires B et E ;
  • la faible humidité de façonnage de E est liée à la faible concentration en fines et le contraire pour D ;
  • les argiles calcaires sont plus poreuses après cuisson.

Des données très complètes ont été récemment publiées pour les argiles à briques italiennes , qui viennent bien en complément . En plus de l’analyse chimique, la composition minéralogique est estimée de façon semi quantitative (erreur < 10 %). On donne les propriétés de chaque argile ainsi que les valeurs extrêmes obtenues dans l’étude. On note la correspondance attendue entre les concentrations chimiques en CaO, MgO, oxyde de fer avec les analyses minéralogiques calcite, dolomite et hématite. Les argiles riches en kaolin ont une forte concentration en Al2O3 mais l’opposé n’est pas vrai, car l’alumine ne provient pas seulement de l’argile. Un peu plus loin, on reprendra ces argiles et on en étudiera les propriétés de séchage et cuisson.

Influence des différentes formes minéralogiques des argiles

Dans les deux paragraphes suivants on examine d’abord l’influence de la composition minéralogique sur le procédé ou les propriétés, alors que dans la section suivante on s’intéresse à l’influence de l’analyse chimique. Il y a bien sûr beaucoup de relations entre les deux. Un certain nombre de commentaires sur la plasticité et les aptitudes au séchage ou à la cuisson deviendront plus clairs après l’étude des chapitres décrivant ces aspects (Chapitres 5 et 6). Le tableau 10 donne des relations entre la composition minéralogique, le choix des paramètres opératoires et les propriétés des produits. Flux, additif qui abaisse le point de fusion (fondant) et augmente le grésage.


Influence des différents éléments chimiques

Les différents éléments chimiques jouent des rôles divers:

  • le carbone et les particules organiques de petite taille et bien distribuées, vont diminuer les consommations d’énergie à la cuisson. Elles peuvent favoriser le « cœur noir » et avoir aussi un effet porosant ;
  • la silice existe soit sous forme combinée dans les différents silicates d’alumine (argiles et autres silicates), soit sous forme libre (quartz). Sous cette dernière forme, elle joue le rôle d’élément dégraissant lorsqu’elle est grossière et constitue en quelque sorte le squelette des produits. Il faut cependant se méfier de la silice présente sous forme de quartz : il existe un changement de phase allotropique à 573°C, appelé point quartz (transformation du quartz  en quartz  avec un changement de la taille de la maille), qui provoque des déformations et tensions internes et peut entraîner l’apparition de casses (fêles) au refroidissement ;
  • l’alumine est généralement liée aux silicates argileux. Dans le cas de la kaolinite pure, la concentration en alumine peut atteindre 46 % en poids. Elle indique donc la plasticité de l’argile, cette plasticité étant d’autant plus élevée que la teneur en alumine est plus importante. On emploiera de préférence des argiles à haute teneur en alumine pour la fabrication de produits pressés à reliefs importants, tels que les tuiles. Elle est aussi signe de tenue à haute température. L’alumine peut avoir encore d’autres origines (sable micacé ou feldspathique). Un fort taux en alumine est donc une condition nécessaire mais non suffisante à l’obtention d’une bonne plasticité ;
  • comme on a vu, les oxydes et les hydroxydes de fer, agissent comme élément fondant (ou flux) au cours de la cuisson, en formant des eutectiques fondant à plus basse température. Ils communiquent aux produits leur couleur rouge. Le fer peut être aussi introduit par la pyrite ou la marcassite (tous deux de composition Fe2S) en grains plus ou moins grossiers qui se décomposent à la cuisson ;
  • la chaux CaO et la magnésie MgO sont des constituants très fréquents. Ils agissent comme éléments fondants puis se combinent aux silicates à la cuisson.

Ces constituants sont issus d’abord des minéraux argiles eux-mêmes, mais ils proviennent surtout des carbonates de chaux (calcaire) et de magnésie (en particulier dolomie) qui se décomposent, au cours de la cuisson, en libérant de l’anhydride carbonique selon la réaction : Équation 1 CO3Ca => CaO + CO2 (g)


Quand les grains de calcaire sont suffisamment fins et répartis, la chaux libérée se combine avec les autres éléments de l’argile pour former des silicates d’alumine complexes, avec des propriétés mécaniques élevées et des couleurs claires : de rose à jaunâtre. Ainsi les produits fabriqués avec des argiles calcaires ne cuisent pas rouges, mais prennent une couleur rose ou jaune, d’autant plus pâle que les produits ont été cuits à température plus élevée. La couleur finale est fonction des concentrations relatives de calcium, de fer et d’alumine, comme on le verra plus tard. La décomposition du carbonate de chaux produit, à l’intérieur du tesson, un dégagement de CO2 et un certain pourcentage de vides qui a pour conséquence de communiquer aux produits cuits une porosité assez élevée.


La chaux confère un bon palier de cuisson suivi d’une fusion brutale. Quelquefois, le calcaire existe dans les argiles sous forme de grains de granulométrie grossière (> 1 mm). Dans les produits cuits, ces grains se transforment alors en gros grains de chaux vive qui ne peuvent s’associer aux autres silicates. Ils s’hydratent sous l’action de l’humidité atmosphérique. Cela produit une expansion qui risque de provoquer des éclatements localisés, qui sont connus, en termes de métier, sous le nom d’éclatements ou point de chaux ; – les oxydes alcalins (K2O et Na2O) proviennent principalement des feldspaths, des illites, des micas et des smectites. Ils peuvent jouer le rôle de fondants. Associés à d’autres éléments (oxyde de fer, par exemple), ils provoquent, au cours de la cuisson, les réactions de grésage, avec création d’une phase liquide, qui confèrent aux produits leurs qualités définitives, et tout particulièrement leur résistance mécanique et leur faible porosité. Le mica présente déjà des phases liquides vers 950 °C. Par contre les feldspaths se liquéfient à plus haute température ; – les sulfates (le gypse CaSO4, 2H2O, l’anhydrite) et les sulfures (pyrite, marcassite) sont généralement des composants indésirables : les fumées des fours vont contenir du SO2 corrosif et des efflorescences risquent d’apparaître sur les produits en cours de fabrication et en œuvre. Le gypse est aussi in source de CaO.

Différents gisements d’argile

Les argiles se trouvent sous forme de grandes nappes, d’extension et de profondeur variables avec des aspects extérieurs divers. Pour des raisons économiques, on s’intéresse principalement aux couches proches de la surface. La présence de matières organiques et de sels minéraux donnent aux argiles une grande variété de teintes (vert, violet, brun, noir), les plus courantes étant gris, gris bleu et jaune. Suivant la période, la terre argileuse se présente comme des mottes plus ou moins déformables. L’été, on peut voir des blocs secs, durs et cassants et des sols fissurés. L’automne, les mottes sont plastiques. Les argiles utilisées pour la fabrication de produits de terre cuite se retrouvent à de nombreux étages géologiques, du primaire au quaternaire. Les argiles ont été dégradées selon les conditions climatiques locales au temps de leur formation à partir des roches originelles. Après leur formation par hydrolyse, les argiles ont souvent été entraînées par les eaux et se sont déposées sur les rives de rivières, dans les bassins lacustres d’alors, dans des deltas ou dans la mer profonde. Les conditions de sédimentation ont été très variées selon les conditions locales (chimie, courants des eaux, variations des conditions dans le temps…). Une grande partie des argiles se sont déposées dans les deltas car la transition de l’eau douce à l’eau de mer favorise la floculation. La formation de mélanges kaolinitique / illitique prédomine près de la côte alors que les mélanges illite/ montmorillonite se déposent plus loin en mer. Des sels, des carbonates d’origine animale et du sable peuvent donc s’y mêler suivant les conditions de dépôt.


Les glaciers et le vent sont aussi des vecteurs importants du déplacement de l’argile. A la suite de leur dépôt, les argiles peuvent évoluer, en particulier en cas d’enfouissement. Elles peuvent se charger en alcalins. Elles peuvent aussi se compacter et se transformer en argilite, peu stratifiée, ou en schistes et en ardoises, plus stratifiés.


Royaume Uni

Au Royaume Uni, on exploite des argiles à terre cuite provenant de tous les ages géologiques depuis l’ère primaire, à l’exception du Permien (c’était alors un désert !). On exploite les schistes ardoisiers du Devon, les argiles d’Oxford sont du Jurassique, le Weald clay est du Crétacé, l’argile de Londres et celui de Reading sont de l’Eocène Tertiaire et on exploite jusqu’à l’Holocène Quaternaire.

France

En France, il n’y a pour ainsi dire pas d’argile de l'ère primaire, mais on trouve des schistes et des ardoises qui peuvent être utilisés chimiquement pour la fabrication de terre cuite avec cependant une plasticité réduite. Les trois étages de l’ère secondaire renferment par contre de nombreux gisements:

  • Trias: bordures de Lorraine et Meuse ;
  • Jurassique : Haute-Normandie (Lisieux, Bavent, Argence), Hautes-Alpes ;
  • Crétacé moyen et inférieur : Beauvaisis, Pays de Bray, Champagne.

Au Tertiaire, se sont formées les argiles du centre du Bassin parisien (argiles de Fresnes, de Vaugirard, des Mureaux), du Centre, de Provence (Bassin de Séon, Ste-Baume), de Salernes, de Charente et du Sud Ouest (Castelnaudary). Au Quaternaire, on trouve les argiles du Centre-Est (Chagny, Lyon, Bourg-en-Bresse) provoquées par le passage des glaciations. Au sommet du Quaternaire, il y a aussi d’importantes formations de lœss. Ce lœss est d’origine périglaciaire, continentale et il a été entraîné par migration éolienne. C’est est une argile siliceuse et calcaire, de couleur jaune à brun clair, présentant peu de plasticité. Ces argiles sont très répandues dans l’est de la France (Alsace). Dans certaines régions, la couche supérieure du lœss a été décalcifiée et a donné naissance à une argile siliceuse, silteuse (grains entre 4 et 60m), peu plastique, pratiquement exempte de calcaire, appelée lehm, qui est utilisée dans le nord de la France. Souvent la couche inférieure est recalcifiée (ergeron).

Allemagne

En Allemagne, les origines sont aussi très variées : Primaire carbonifère permien (Palatinat), Secondaire

  • Trias (Odenwald, Bade Wurtemberg)
  • Lias (Westphalie, basse Saxe)
  • Crétacé (Est du Weserbergland)

Tertiaire miocène (Westerwald, sud de la forêt bavaroise,..) Quaternaire Pleistocène (Brandebourg, basse Rhénanie,..) Quaternaire Holocène (Weser inférieure, Eifel, Elbe inférieur, basse et haute Bavière. On trouve aussi fréquemment des Lehms en Allemagne de façon abondante et c’est en fait un des éléments courant du mélange des tuileries.

Italie

En Italie par contre, toutes les argiles utilisées sont assez récentes, tertiaires ou quaternaires. Il s’agit principalement d’argiles de l’holocène déposées par les fleuves ou dans des lacs (par exemple vallée de l’Arno et du Tibre), d’argiles grises bleues du pliocène ou du Pleistocène inférieur, à la limite du tertiaire /quaternaire, déposés en mer profonde et qu’on retrouve tout le long de la péninsule, de dépôts fluviaux glaciaires du Pléistocène quaternaire (en Vénétie, Lombardie et Piémont). Il est donc possible de mettre en exploitation des gisements variés avec des argiles très différentes. La connaissance des conditions de formation et de sédimentation des couches permet ainsi de mieux comprendre les compositions et les structures des gisements de roches argileuses, la présence des éléments complémentaires, les granulométries, les impuretés, la forme des grains, la consolidation, la structure et l’homogénéité des gisements…5

Géométrie des grains du mélange

Le mélange de production comprend de nombreux grains de différentes formes et taille. La forme et la distribution des granulométries des mélanges ont une grande importance sur leurs propriétés.

Forme des grains

Selon les origines, natures et tailles, la forme des grains du mélange est très variée. En principe, les plus gros grains ont une forme massive, plus ou moins arrondie suivant le processus de production. Les plus gros grains ont été cassés durant le broyage sont anguleux, alors que les grains intermédiaires, plus anciens, ont été usés au cours de leur vie et sont plus arrondis. Les grains les plus fins (argiles <2m) ont la forme lamellaire et sont très allongés. Classification granulométrique Le mécanicien des sols répartit souvent les particules selon leur diamètre (voir tableau 9).


On voit qu’il parle d’argile sur la base d’une taille et non sur la base d’une composition minéralogique. On a vu cependant que les deux aspects étaient globalement liés.

Surface spécifique

Avec la taille et la forme des particules, varie aussi leur surface spécifique. Lorsque la dimension des particules diminue, leur surface spécifique augmente. Pour des particules sphériques, on a ainsi :

  • surface spécifique volumique (cm2/cm3) = 6/d (cm-1) (avec d diamètre),
  • surface spécifique massique (cm2/g) = 6/d (avec  densité).

Des particules sphériques de 1 µm et de densité 2,5 g/cm3 ont donc une surface spécifique de 2,4 m2/g. Des particules lamellaires présentent bien plus de surface spécifique. Ainsi les surfaces spécifiques totales varient entre 10 et 20 m2/g pour la kaolinite et les chlorites, 30 à 150 m2/g pour les illites et jusqu’à 800 m2/g pour les smectites. A ces dimensions, les réactions de surface sont prépondérantes.

Distribution granulométrique et plasticité

Les propriétés de bonne plasticité et de forte absorption d’eau sont liées à la fraction de la granulométrie inférieure à 2 µm, qui représente réellement la fraction argileuse. Une forte classe < 2 µm donnera une plasticité importante avec en contrepartie, une forte humidité de façonnage et des problèmes de séchage dus au fort retrait. Une faible classe < 2 µm donnera le contraire (faible plasticité, faible humidité de façonnage, faible retrait). Sur le tableau 12, on indique les granulométries observées sur les argiles françaises décrites dans le tableau 8. Les classes de granulométrie employées sont un peu différentes de celles du tableau 11.


Ainsi le loess alsacien comprend une très faible quantité d’argile. Il est par nature très maigre ou très dégraissé. Il se travaille avec une faible humidité de façonnage mais le produit final est poreux. Les argiles très grasses A et D ont des propriétés inverses.

Diagramme de Niesper et Winkler

Selon les produits à fabriquer, on a besoin de plus ou moins de plasticité ; ils sont plus ou moins faciles à sécher. On peut donc imaginer qu’il y a une distribution optimale des granulométries par produit. Une certaine teneur en argiles et limons serait donc à rechercher dans les mélanges de production selon les produits à fabriquer. Niesper et Winkler ont classé les mélanges de production allemands selon trois critères : concentration en argile (<2µm), concentration en limon (2µm < < 20µm), concentration en sable (>20µm) et ont relié la granulométrie aux produits réalisés avec la technologie d’extrusion d’alors. En fait les trois critères sont liés entre eux (leur somme est égale à 1). On peut donc tracer un diagramme ternaire ou un diagramme binaire. On observe alors les distributions des mélanges de production se regroupent zones par type de produit. (Figure 8) On voit que les trop grandes concentrations de fines sont écartées, que les tuiles demandent de 20 à 50 % d’éléments fins et que les granulométries plus grossières sont acceptables pour les briques, en particulier pour les briques pleines.


Si ce diagramme est synthétique, il ne décrit les mélanges qu’avec deux paramètres indépendants: la concentration d’argile et la concentration de limon. Souvent il se limite même à indiquer la quantité d’argile minimale. Par ailleurs, il rend compte d’une situation de la technologie et de choix historiques qui ne sont pas tous techniques. Si on a une très bonne argile et le marché, on peut aussi faire des briques pleines et pas seulement des tuiles. Ainsi s’il distingue bien les produits en Allemagne et en Belgique, il s’applique mal à la production italienne. Ce diagramme reste cependant un élément très intéressant de comparaison qui permet une première approche dans l’amélioration du mélange de production par le mélange de terres différentes.

Compacité maximale

La distribution granulométrique a aussi une grande importance sur la compacité et la porosité des produits sec et cuits. Si le produit sec est très poreux, les échanges hydriques sont faciles de même que les passages de gaz au cours de la cuisson. Par contre, une faible porosité sera obtenue plus difficilement après la cuisson Une distribution serrée de la granulométrie ne peut donner une forte compacité. Si on prend des billes sphériques de rayon uniforme r, la compacité maximale est de 74 % (arrangement rangé hexagonal compact ou face centrée) et d’environ 63 % (arrangement au hasard avec compaction mécanique). Le nombre de coordinence (nombre de points de contact entre une bille et ses voisines) est alors de l’ordre de 7. Ce nombre est important dans les processus de séchage et de frittage. Une meilleure compacité peut être obtenue si on peut boucher les trous de la première population par des billes de beaucoup plus petite taille (par exemple r/10). On bouchera à leur tour les porosités restantes par une nouvelle population de rayon 10 fois plus petit, et ainsi de suite. Si on utilise maintenant une distribution continue, Litzow et Fuller indiquent les distributions qui donnent la compacité la plus élevée pour des grains arrondis (F) et anguleux (L) (Figure 9). L’abscisse peut facilement s’adapter à la dimension maximale des grains d’un mélange de production de brique (ici, 1 mm).


On voit qu’il ne faudrait qu’une faible quantité de fine (< 10 %). En fait, il faut souvent plus d’argile pour obtenir une plasticité acceptable que ce qui est nécessaire pour la compacité maximale. De plus pour obtenir une compacité maximale, il faut non seulement une bonne distribution initiale des particules mais il faut aussi un procédé de fabrication qui permette aux particules les plus petites de bien se placer entre les plus grosses et l’extrusion en voie semi humide, procédé de mise en forme le plus courant, ne le garantit pas forcément. La conclusion générale est qu’il n’est pas possible ni forcément désirable d’atteindre la compacité maximale mais il reste qu’il faut avoir une distribution équilibrée, contrôlée et constante pour assurer la plasticité nécessaire, et obtenir une porosité homogène. Comparaison de distributions granulométriques cumulative Quand le diagramme de Winkler, parait très condensé, il est utile de comparer effectivement les distributions complètes de mélanges ou de roches argileuses brutes. J. Sigg donne ainsi un exemple de différentes distributions sur la figure 10 :

  • mélange 1, toutes les fractions ont la même importance;
  • mélange 2, les fractions fines sont très importantes (< 2 µm, 58 %). Il s’agit d’une terre très grasse, très argileuse, à utiliser en ajout ;
  • mélange 3, au contraire de 2, il s’agit d’un mélange qui contient beaucoup de sable et de limon et qui est très dégraissé ;
  • mélange 4, similaire au précédent sous l’aspect argile, il contient cependant beaucoup de limon ;
  • mélange 5, mélange d’argile grasse avec un sable grossier ;
  • mélange 6, il s’agit du mélange de Litzow et Fuller à compacité maximale ;
  • terre argileuse N1, très grasse, utile sous forme d’ajout ;
  • terre argileuse N2, qui est une très bonne terre à tuile, très plastique ;
  • terre argileuse N3, terre à grès, avec des gros grains qui font un squelette.
  • terre argileuse N4, qui est un lehm peu plastique.

De la même façon que dans les diagrammes de Winkler, il est possible de tracer des zones recommandées pour un certain type de produit. On a par exemple reproduit la zone de Winkler pour les briques pleines (BP) et les tuiles (T).


Éléments dégraissants

Souvent, les argiles naturelles présentent une plasticité excessive, ce qui entraîne des difficultés de fabrication (forte eau de façonnage, séchage lent et retrait de séchage important). Il est alors nécessaire d’ajouter des éléments inertes, appelés « dégraissants ». Ils sont « non plastiques », n’induisent pas de variations dimensionnelles au séchage. Souvent ils sont inertes jusqu'à haute température. Ils donnent aux produits une texture moins compacte, ce qui facilite l’évacuation de l’eau pendant le séchage et les dégagements gazeux pendant la cuisson. Ils permettent aussi une meilleure oxydation à cœur des produits en limitant l’apparition de « cœur noir ». Par contre, ils diminuent la plasticité, la compacité et les propriétés mécaniques après cuisson. Les éléments dégraissants le plus couramment utilisés sont décrits ci-dessous :

  • le sable, de granulométrie de 0,2 à 1 mm, exempt de calcaire, à des doses pouvant atteindre jusqu’à 30 %. Le sable est généralement constitué de silice quartzeuse plus ou moins pure et parfois de feldspaths et mica. Le quartz est stable thermiquement mais subit des transformations allotropiques (point quartz à 573 °C), responsables de casse des produits au refroidissement. Les sables feldspathiques et micacés ne présentent pas cette transformation allotropique. De plus ils peuvent présenter une action de fondant quand leur teneur en éléments alcalins est importante et qu’ils peuvent former des eutectiques ;
  • la chamotte : on désigne sous ce terme de l’argile déjà cuite qui provient le plus souvent du broyage des déchets de cuisson (casson) ; cet ajout est fréquemment effectué pour la fabrication de boisseaux de terre cuite ; en effet, pour ces produits, une texture grossière a pour conséquence une baisse de la dilatation thermique et donc une amélioration de la résistance au choc thermique. Si cette chamotte est stable à la température de cuisson, elle va diminuer le grésage, augmenter la stabilité dimensionnelle et favoriser la production de produits plus poreux ;
  • les cendres volantes de centrales thermiques alimentées au charbon pulvérisé;
  • les laitiers granulés de hauts fourneaux ;
  • des éléments partiellement combustibles tels que le mâchefer, le fraisil, les schlamms (résidus de lavage des charbons). Leurs effets ressemblent à celui de la chamotte, avec un petit effet combustible additionnel ;
  • des roches dures broyées (basaltes, micaschistes…). Suivant la température de fusion de la roche, l’effet sera celui de la chamotte ou provoquera un grésage.

On montre un exemple de l’efficacité du dégraissage pour une argile très plastique au tableau 14.

Le dégraissant permet de limiter l’humidité de façonnage et le retrait de séchage mais il augmente la porosité finale, surtout à 1000°C, en limitant le retrait…

Ajouts spéciaux

Outre les argiles et les dégraissants, il est souvent nécessaire d’ajouter aux mélanges de fabrication des constituants spéciaux, soit pour corriger un défaut propre à la nature de certaines matières premières, soit pour réaliser des produits présentant des caractéristiques particulières. Les principaux ajouts utilisés sont :

  • le bioxyde de manganèse, colorant brun, pour la fabrication de produits d’aspect vieilli ; des doses de 1 à 3 % par rapport au poids sec, permettent l’obtention de produits présentant une belle couleur brune avec des argiles ferrugineuses. Pour les argiles calcaires, le gris est obtenu ;
  • l’oxyde de titane qui permet d’obtenir, avec certaines argiles, à des doses de 1,5 à 2 %, des produits de couleur orangée, jaune ou crème ;
  • le carbonate de baryum qui limite les phénomènes d’efflorescence; la réaction de fixation des sulfates a lieu en phase humide : les ions baryum piégent les ions sulfates à la surface du grain de carbonate de baryum, et le sulfate de baryum est très peu soluble. Les additions et dépendent de la concentration en sulfate du mélange et de l’activité de surface de l’ajout ; elles sont de l’ordre de 1 à 10 kg/tonne. On reparlera de cette addition dans le paragraphe consacré aux efflorescences (Chapitre 9) ;
  • le calcaire finement broyé, est un ajout important. On a déjà parlé de son action : il favorise la cristallisation de composés calciques à partir des phases amorphes, il modifie le retrait à la cuisson et le grésage et permet généralement d’augmenter les paliers de cuisson. Il diminue la dilatation à l’humidité. Par sa décomposition thermique, il va augmenter la porosité du tesson. Enfin il éclaircit la couleur ;
  • la chaux vive est parfois utilisée pour réduire l’humidité d’un mélange ;
  • le carbonate de sodium est parfois ajouté, au niveau de quelques pour milles, pour améliorer la plasticité, comme on le verra plus tard ;
  • les phosphates sont parfois utilisés dans les mêmes conditions et pour les mêmes buts (polyphosphate de sodium, méta phosphate de sodium, silico-phosphate alcalin,…)
  • les lignosulfonates (de sodium ou de calcium), à des doses de quelques pour milles, sont utilisé comme régulateur de séchage uniformisant les vitesses d’évaporation, par la création d’une couche superficielle plus visqueuse et moins perméable. Il augmente aussi la plasticité du mélange de production.

Eléments « porosants »

De plus en plus, les fabricants de briques cherchent à diminuer la conductivité thermique de leurs produits pour obtenir des résistances thermiques de mur élevées. Ils cherchent aussi à diminuer les poids des produits. Ils recherchent aussi des énergies à faible coût. Comme on le verra en détail (Chapitre 14), un des moyens disponibles est d’augmenter la porosité du tesson par l’ajout d’éléments porosant. On a déjà vu que l’utilisation de calcaire/carbonates avait un effet « porosant » et permettait de créer des microporosités à haute température. Il existe deux autres types d’ajout qui augmentent la porosité :

  • l’ajout de composés déjà poreux, inertes et plus ou moins stables thermiquement: perlite, vermiculite, diatomée ou kieselguhr, argile poreuse, verre poreux, hydroxyde d’aluminium…certains de ces produits peuvent s provoquer une expansion au chauffage. Pour la plupart les additions doivent être importantes pour être efficaces.
  • l’ajout de composés organiques qui vont se décomposer, brûler et finalement dégager du CO2. On trouve de nombreux produits, qui se différencient par leur granulométrie, leur pouvoir combustible, leur pouvoir gazogène, leur taux d’humidité, la présence éventuelle de fibres, la quantité et la composition des cendres résiduelles, la zone de température d’oxydation et son étendue, la nature des émissions…

Les additifs les plus importants sont les sciures et écorces de bois, les déchets végétaux (paille,…), le papier, le polystyrène expansé, comme déchet ou en billes, les déchets organiques (boues de papeterie, de brasserie, de tannerie, de stations d’épuration, résidus des l’industries alimentaires, textiles…), les déchets de moules de fonderie, la poudre de charbon, les cendres et résidus de combustion non entièrement oxydées…En partant d’un mélange donnant un tesson de 1700kg/m3, une densité de tesson de 1500kg/m3 sera obtenue avec 15% de sciure. L’ajout de porosants dans le mélange de production se heurte à des limites :

  • C’est un produit dégraissant avec ses conséquences (retrait, humidité de travail plus élevée, résistance plus faible du produit sec).
  • Il faut travailler généralement avec un taux d’humidité plus élevé.
  • On observe une baisse associée des propriétés mécaniques de la brique.
  • Dans le cas des additions organiques, il devient difficile de contrôler la cuisson dans le four quand le mélange est trop chargé en matière organique avec un haut pouvoir combustible (par exemple 400kJ/kg de brique); la charge possède alors un pouvoir combustible qui se rapproche de la quantité d’énergie nécessaire à la cuisson, et la cuisson peut donc s’emballer de façon locale.
  • Durant la combustion, les additions organiques sont susceptibles de produire des gaz polluants dans les fumées, émissions qu’il faut donc maîtriser.
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