Soutenu publiquement le, 26 Mai 2005 au Bloc Technique ...
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Soutenu publiquement le, 26 Mai 2005 au Bloc Technique Vontovorona
… Ce mémoire, je le dédie
- ma foi !? , à l'Omniscient Omnipotent,
Omniscient, Immuable, Juste, Amour, Droit et
Miséricordieux ;
- à mes parents ;
- à mes frères et sœurs ;
- à Nivo, pour sa patience, et sans qui tout ce
travail ne pourrait pas exister ;
- à Domoina, ma fille …
Nos remerciements les plus respectueux s’adressent à chacune des personnalités de l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo suivantes :
- Monsieur RANDRIANOELINA Benjamin, Directeur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo qui nous a fait l'honneur de présider cette
soutenance de mémoire ;
- Monsieur RAKOTOMARIA Etienne, Professeur Titulaire, qui nous a permis de
faire notre étude de troisième cycle en Sciences des Matériaux et Métallurgie ici
même à Madagasikara en tant que Responsable pédagogique ;
- Monsieur RANAIVONIARIVO Gabriely, Chef de département des Sciences des
Matériaux, et Métallurgie qui nous a donné l’opportunité de nous perfectionner en
mettant en exergue l’utilité de notre formation ;
- Monsieur RANDRIANJA Roger, Professeur, rapporteur de ce présent mémoire, qui
nous a conseillé avec abnégation et compréhension au cours de notre rude traversée
pour faire aboutir ce mémoire.
Nos remerciements vont également droits aux membres de Jury, examinateurs, qui ont
accepté de juger le fond et la forme de ce travail.
Nous réitérons nos sincères remerciements aux dirigeants et personnels qui ont facilité
notre accès dans leurs laboratoires et centres de documentation et de recherche. En particulier :
- Le laboratoire National des Travaux Publics et du Bâtiment ;
- Le laboratoire géologique de l’Université d’Antananarivo ;
- Le laboratoire de la Société COLAS ;
- L'Institut géographique et hydrographique National F.T.M. ;
- L'Université de Bristol, l'Université de Picardie, l'Université de Lyon et l'Ecole
Polytechnique Fédérale de Lausanne ;
- Le Service géologique d'Antananarivo.
Enfin, nous tenons à témoigner nos sentiments affectueux de gratitude à tous nos collègues
et étudiants qui nous ont apporté leur collaboration et leur sympathie, trop nombreux pour les citer
un à un, ils se reconnaîtront.
RRREEEMMMEEERRRCCCIIIEEEMMMEEENNNTTTSSS
DEDICACE
REMERCIEMENTS
SOMMAIRE
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES PHOTOS
LISTE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION…………………………………………………………………………………1
PREMIER CHAPITRE : RAPPELS SUR LES ARGILES. ........................................................... 2
I.1. Rappels de quelques définitions cristallographiques. ..................................................... 3
1. Cristaux ........................................................................................................................... 3
2. Liaisons atomiques.......................................................................................................... 3
3. Motif................................................................................................................................ 3
4. Opérations de coïncidence .............................................................................................. 3
5. Classe de symétrie........................................................................................................... 3
6. Nœud du réseau............................................................................................................... 3
7. Mailles du réseau............................................................................................................. 4
8. Rangées ........................................................................................................................... 4
9. Plans réticulaires ou plans du réseau............................................................................... 4
10. Repérage de direction et des plans .............................................................................. 4
11. Vecteurs réciproques ................................................................................................... 4
12. Indices des directions .................................................................................................. 4
13. Indice de Miller d’un plan........................................................................................... 5
14. Densité des nœuds....................................................................................................... 5
15. Sites dans les réseaux cristallins.................................................................................. 5
16. Nombre de coordination.............................................................................................. 5
17. Valence électrostatique ............................................................................................... 5
18. Energie réticulaire ....................................................................................................... 5
I.2. Structure des minéraux argileux...................................................................................... 6
SSSOOOMMMMMMAAAIIIRRREEE
2. Feuillet et notations des feuillets ..................................................................................... 6
3. Structure des minéraux argileux...................................................................................... 7
a. La kaolinite (1/1, d = 7Å) ............................................................................................ 7
b. Les illites (2/1, d = 10Å) .............................................................................................. 7
c. Les smectites (2/1, d = 14Å) ........................................................................................ 7
d. La glauconie ................................................................................................................ 7
e. Les chlorites (2/1, d = 14Å) ......................................................................................... 7
f. La vermiculite (2/1, d = 12Å) ...................................................................................... 8
g. Les argiles fibreuses .................................................................................................... 8
4. Formule générale des minéraux argileux ........................................................................ 8
I.3. Classification et nomenclature ........................................................................................ 8
1. Les espèces argileuses..................................................................................................... 8
2. Classification des minéraux argileux .............................................................................. 9
3. Couche di- et octaédriques .............................................................................................. 9
4. Nomenclature des argiles ................................................................................................ 9
I.4. Critères divers ................................................................................................................. 9
DEUXIEME CHAPITRE : LES METHODES DE CARACTERISATION DES ARGILES ..... 19
II.1. Introduction ................................................................................................................... 20
II.2. Etude géotechnique de l’échantillon ............................................................................. 20
1. Caractéristiques structurales des sols ............................................................................ 20
2. Identification des sols.................................................................................................... 22
3. Résistances des sols....................................................................................................... 22
4. Classification des sols ................................................................................................... 23
a. Classification du H.R.B ……………………………………………………..………...23
b. Classification L.P.C……………………………………………………………………23
b.1. Classification des sols grenus............................................................................ 24
b.2. Classification des sols fins ................................................................................ 24
b.3. Classification des sols organiques..................................................................... 27
b.4. Résultat.............................................................................................................. 27
II.3. Analyse chimique des argiles........................................................................................ 29
1. Méthode physico-chimique d’extraction de la fraction argileuse : ............................... 29
2. Méthode classique par voie humide : ............................................................................ 29
3. Détermination chimique en fractions fines : ................................................................. 30
II.4. Analyse des argiles par la diffraction aux rayons X...................................................... 30
1. Méthodes d’étude aux rayons X.................................................................................... 31
II.5.Analyses thermiques………………………………………………………………………….33
1. Analyse thermogravimetrique A.T.G............................................................................ 33
2. Analyse thermique différentielle A.T.D. ou bidifférentielle ......................................... 33
TROISIEME CHAPITRE : ETUDE EXPERIMENTALE........................................................... 35
III.1. Echantillonnage......................................................................................................... 36
1. Introduction ................................................................................................................... 36
2. Localisation des gisements............................................................................................ 36
III.2. Résultats sur l'étude géotechnique............................................................................. 40
1. Teneur en eau W, poids spécifique γs et volumique sec γd ........................................... 40
2. Analyse granulométriques............................................................................................. 40
3. Teneur en matière organique......................................................................................... 44
4. Limites d'Atterberg........................................................................................................ 45
5. Activité .......................................................................................................................... 53
6. Compressibilité.............................................................................................................. 54
7. Classification des échantillons étudiés.......................................................................... 55
III.3. Résultats sur l'analyse chimique................................................................................ 58
1. Analyse sédimentométrique .......................................................................................... 58
2. Analyse chimique pour les teneurs en éléments : ......................................................... 69
III.4. Résultats sur l'analyse thermique .............................................................................. 70
CHAPITRE QUATRE: INTERETS ECONOMIQUES DES ARGILES………………………...77
IV.1. Généralités……………………………………………………………………...................78
1. Les argiles pour céramique……………………………………………………….........78
2. Les argiles à halloysite………………………………………………………….……..79
3. Les argiles absorbantes………………………………………………………………...79
4. Les Ocres……………………………………………………………………………....81
IV.2. Utilisations des argiles de Mandray-Antsirabe…………………………………………...84
1. Hourdis en terre cuite……………………………………………………………........84
a. Processus de fabrication des hourdis et entrevous en terre cuite……………………..84
b. Avantages qualitatifs du plancher à corps creux……………………………………..86
c. Etude économique……………………………………………………………............91
2. Briques cuites…………………………………………………………………………..94
a.Généralités……………………………………………………………………………...94
b.Matières premières…………………………………………………………………….94
c. Propriétés……………………………………………………………………………..95
d.Processus et matériaux de construction…………………………………………….....95
3.Pigments……………………………………………………………………………………96
a.Généralités……………………………………………………………………………...96
b.Propriétés………………………………………………………………………............96
c. Cas de Mandray……………………………………………………………………….96
CONCLUSION………………………………………………………………………………….97
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
Tableau 1 : Silicates hydratés............................................................................................... 10
Tableau 2 : Feuillet du type 1/1 à épaisseur réelle 7Å. ........................................................ 11
Tableau 3 : Feuillet du type 2/1 à épaisseur réelle 10Å dioctaédrique. ............................... 12
Tableau 4 : Feuillet du type 2/1 à épaisseur réelle 10Å trioctaédrique. ............................... 13
Tableau 5 : Feuillet du type 2/1/1 à épaisseur réelle 14Å. ................................................... 14
Tableau 6 : Types interstratifiés ........................................................................................... 15
Tableau 7 : Groupes des minéraux à 7Å : motifs-unitaires types. ....................................... 15
Tableau 8 : Groupe des minéraux à 7Å : familles................................................................ 16
Tableau 9 : Groupe des minéraux à 10Å : motifs-unitaires types. ....................................... 17
Tableau 10 : Groupe des minéraux à 10Å : familles.......................................................... 18
Tableau 11 : Caractéristiques physiques du sol ................................................................. 21
Tableau 12 : Classification du H.R.B................................................................................. 23
Tableau 13 : Classifications des sols grenus du L.P.C....................................................... 24
Tableau 14 : Classification des sols fins du L.P.C. ............................................................ 26
Tableau 15 : Classification des sols organiques du L.P.C. ................................................ 27
Tableau 16 : Organigramme de détermination chimique en fractions fines ...................... 30
Tableau 17 : Couleurs et coordonnées des échantillons..................................................... 38
Tableau 18 : Teneur en eau W, poids spécifique γs et poids volumiques sec γd............... 40
Tableau 19 : Pourcentage pondéral suivant l'analyse granulométrique ............................. 41
Tableau 20 : Teneur en matières organiques...................................................................... 44
Tableau 21 : Limites d'Atterberg........................................................................................ 46
Tableau 22 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 1)........................................ 47
Tableau 23 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 2)Erreur ! Signet non défini.
Tableau 24 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 3)........................................ 49
Tableau 25 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 4)........................................ 50
Tableau 26 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 5)........................................ 51
Tableau 27 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 6)........................................ 52
Tableau 28 : Activité des argiles courantes........................................................................ 53
Tableau 29 : Activité des échantillons d'argiles ................................................................. 54
Tableau 30 : Compressibilité des échantillons d'argiles..................................................... 54
Tableau 31 : Classification du HRB................................................................................... 55
LLLiiisssttteee dddeeesss tttaaabbbllleeeaaauuuxxx
Tableau 32 : Classification LPC des échantillons d'argiles ............................................... 56
Tableau 33 : Classification GTR des échantillons de Mandray. ........................................ 57
Tableau 34 : Résistance et gonflement des argiles de Mandray ........................................ 57
Tableau 35 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 1)............................. 63
Tableau 36 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 2)............................. 64
Tableau 37 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 3)............................. 65
Tableau 38 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 4)............................. 66
Tableau 39 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 5)............................. 67
Tableau 40 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 6)............................. 68
Tableau 41 : Résultats des analyses chimiques pour les teneurs en éléments.................... 69
Tableau 42 : Relevé des masses aux différentes températures........................................... 71
Tableau 43 : Pourcentage des pertes en poids aux différentes températures. .................... 72
Tableau 44 : Constituants de l’ocre jaune………………………………………………..82
Tableau 45 : Constituants de l’ocre rouge………………………………………………..82
Tableau 46: Constituants de l’hématite………………………………………………….83
figure 1 : Schéma de base des minéraux argileux................................................................... 6
figure 2 : Eléments constitutifs des sols................................................................................ 20
figure 3 : Diagramme de Plasticité, de Casagrande .............................................................. 25
figure 4 : classification GTR (Dmax ≤ 50mm) ....................................................................... 28
figure 5 : Diffraction aux Rayons X des minéraux argileux. ................................................ 31
figure 6 : Gîtes de recherche Antsirabe (Mandray) .............................................................. 37
figure 7 : Localisation géographique des gîtes de recherche ................................................ 39
figure 8 : Activité des argiles ................................................................................................ 53
figure 9 : Position des échantillons d'après le diagramme de Casagrande............................ 56
figure 10 : Courbe thermogravimétrique de MAN 1 .......................................................... 72
figure 11 : Courbe thermogravimétrique de MAN 2 .......................................................... 73
figure 12 : Courbe thermogravimétrique de MAN 3 .......................................................... 74
figure 13 : Courbe thermogravimétrique de MAN 4 .......................................................... 74
figure 14 : Courbe thermogravimétrique de MAN 5 .......................................................... 75
figure 15 : Courbe thermogravimétrique de MAN 6 .......................................................... 75
LLLiiisssttteee dddeeesss fffiiiggguuurrreeesss
Photo 1 : Série de tamis pour l'analyse granulométrique...................................................... 40
Photo 2 : Préparation des échantillons au tamis 0.42 ........................................................... 45
Photo 3 : Appareil de Casagrande ........................................................................................ 45
Photo 4 : Prise d'échantillon ................................................................................................. 46
Photo 5 : Tamisage à l'eau pour recueillir les < 80 µm ........................................................ 58
Photo 6 : Différents types de densimètres. ........................................................................... 59
Photo 7 : Poudre d'hexamethaphosphate de sodium............................................................. 59
Photo 8 : Eprouvette d'essai.................................................................................................. 60
Photo 9 : Agitation mécanique ............................................................................................. 61
Photo 10 : Lecture sur densimètre ...................................................................................... 61
Photo 11 : Fours à basse température et à haute température............................................. 70
Photo 12 : Balance électronique de précision..................................................................... 71
LLLiiisssttteee dddeeesss ppphhhoootttooosss
λ : Latitude
ω : Longitude
γd : poids volumique sec
γs : poids spécifique
γw : poids volumique de l’eau
a*, b*, c* : vecteurs de base du réseau réciproque
a , b, c : vecteurs de base du réseau cristallin
d : distance inter-réticulaire
m (υ) : masse à la température de υ°C
m (0) : masse à la température de 0°C
ta : teneur en argile
w : teneur en eau
Å : Angstrom
A.T.bD : Analyse thermique bidifférentielle
A.T.D : Analyse thermodifférentielle
A.T.G : analyse thermogravimétrique
C.B.R : californian Bearing ratio
Cc : coefficient de courbure
Cu : Coefficient d’uniformité
di : dioctaédrique
Dj : Pourcentage de grain passant par une maille de diamètre j
Dmax : Diamètre maximal des grains
H.R.B : Highway research Board
Ip : Indice de plasticité
L.P.C : laboratoire des ponts et chaussées
M.O : Matières organiques
MAN i : échantillon de Mandray N°i, i= 1, 2, 3, 4, 5, 6
NF P : Norme Française Publiée
tri : trioctaédrique
V.B.S : Valeur en bleu de méthylène
WL : limite de liquidité
Wp : limite de plasticité
LLLiiisssttteee dddeeesss aaabbbrrrééévvviiiaaatttiiiooonnnsss
Pour la plupart des pays en développement, les tendances de la recherche dans le domaine
des sciences des matériaux sont principalement orientées sur les trois cas suivants : le retour à la
terre comme matériau de construction, la valorisation des sous-produits et l'identification
scientifique des matières premières locales susceptibles d'être utilisées comme des matériaux de
construction ;
A Madagascar, les argiles sont abondantes et variées. Les produits argileux reconnus et
disponibles sont :
- Les kaolinites (kaolins) ;
- Les argiles kaoliniques et halloysitiques ;
- Les argiles montmorillonitiques avec des types à beidellite et nontronite ;
- Les argiles illitiques ;
- Les argiles à attapulgite.
Cependant, si un certain nombre de gisements ont déjà été répertoriés, leurs études
générales et de façon systématique sont très incomplètes voire inexistantes.
Aussi pour contribuer à cette recherche, avons-nous choisi pour thème de mémoire :
" ETUDE ET VALORISATION DES ARGILES DE MANDRAY-ANTSIRABE "
Ce présent mémoire est divisé en trois chapitres :
Dans le premier chapitre, nous rappelons les différents types d'argiles, les définitions
cristallographiques essentielles, les structures, les classifications ainsi que la nomenclature des
argiles.
Le second chapitre est consacré aux méthodes de caractérisation des argiles par les essais
expérimentaux.
Dans le troisième Chapitre, nous établissons les méthodes de caractérisation retenues et
exposons par la suite les différents résultats des essais expérimentaux faits sur les échantillons de
Mandray-Antsirabe.
Le quatrième chapitre met en exergue les intérêts économiques de ces argiles de manière à
établir des perspectives d'emploi ou de recherche.
Pour ne pas alourdir le texte, nous renvoyons en annexes quelques compléments de littérature
concernant ces différents chapitres.
IIINNNTTTRRROOODDDUUUCCCTTTIIIOOONNN
RAPPELS
SUR LES ARGILES
Rappel de quelques définitions cristallographiques
Structure des minéraux argileux
Classification et nomenclature
CHAPITRE
RANOARISON Haingo Hardy 2
PREMIER CHAPITRE :
RAPPELS SUR LES ARGILES.
RANOARISON Haingo Hardy 3
I.1. Rappels de quelques définitions cristallographiques.
1. Cristaux
On appelle cristaux des solides ayant une disposition périodique régulière des particules
dont ils sont constitués (réseau cristallin). Les molécules et les atomes s’arrangent en un ordre
strict propre à chaque matière, constituant ainsi leur réseau structural. Ce sont des corps
anisotropes (Les propriétés physiques sont constantes dans toutes les directions parallèles et se
modifient dans la direction non parallèle).
Les cristaux ont des propriétés physiques scalaires (densité, capacité calorifique,…)
vectorielles (conductibilité thermique, résistance électrique,…) et tensorielles (propriétés
élastiques).
2. Liaisons atomiques
Les cristaux sont soit métalliques (Na, Fe, …) soit ioniques (Na Cl, Li F, …) soit
atomiques (C, Ge, Te) soit moléculaires (Ar, CH4, …) soit à liaison hydrogène (HF, glace).
3. Motif
On appelle motif l’assemblage d’atomes le plus simple possible, qui multiplié à l’infini
par le tri périodicité du cristal, engendre le cristal entier.
4. Opérations de coïncidence
On peut faire coïncider le cristal avec lui-même, en différentes positions par les
opérations de symétrie compatibles avec les propriétés de translation de son réseau. Ce sont la
rotation, la réflexion et la translation qui sont à leur tour liées aux éléments de symétrie comme
les axes et les plans.
5. Classe de symétrie
On appelle classe de symétrie l’ensemble de transformations symétriques qui combinent
les rotations, les réflexions et les rotations avec réflexion.
6. Nœud du réseau
C’est l’ensemble des points géométriquement homologues, se déduisant les uns des
autres par des translations du réseau.
RANOARISON Haingo Hardy 4
7. Mailles du réseau
Les mailles du réseau sont des parallélépipédiques définis par les vecteurs de translation
du réseau. On en distingue deux catégories :
- les mailles élémentaires ;
- les mailles multiples.
8. Rangées
Les rangées sont les familles de droites parallèles contenant les nœuds du réseau.
9. Plans réticulaires ou plans du réseau
Un plan réticulaire est un plan contenant au moins trois nœuds du réseau non alignés.
Chaque famille de plans réticulaires possède une distance inter réticulaire d.
10. Repérage de direction et des plans
La base de ce repère est constituée par les trois vecteurs de translation du réseau notés
a, b, c tandis que son origine sera choisi arbitrairement mais situé à un nœud du réseau.
Autrement dit, le parallélépipède construit sur les vecteurs a, b et c est la base du cristal ou
encore la maille cristalline. Ainsi a, b, c engendrent tous les points du réseau, au sommet d’une
maille ou autre.
11. Vecteurs réciproques
Les ensembles de vecteurs a, b, c et a*, b*, c* s’appellent ensembles ou système de
vecteurs réciproques si
a. a* = b . b* = c . c* = 1
a* . b = a* . c = b* . a = b* . c = c* . a = c* . b = 0
cba
cba∧
∧=
.*
cbaacb∧
∧=
.*
cbabac
∧
∧=
.*
où 0cb.a ≠∧
12. Indices des directions
Une direction est désignée par trois indices [u, v, w] où conventionnellement u, v, w
sont des entiers relatifs quelconques.
Le vecteur r portant la direction (u, v, w) dans le réseau est décrit analytiquement par :
r = u.a + v.b + w.c
Ainsi l’appellation de nœud u, v, w pour tout point de coordonnées ua, vb, wc.
RANOARISON Haingo Hardy 5
13. Indice de Miller d’un plan
Un plan est désigné par trois indices (h, k, l) dits indices de Miller, qui permettent de
déterminer expérimentalement la distance inter réticulaire d
d = d (h, k, l)
et l’on a la relation suivante :
nclz
nbky
nahx1 ++=
où x, y, z sont les points d’intersection du plan considéré avec les axes ox, oy, oz en prenant a,
b et c comme vecteurs unitaires ; n est le facteur rendant h, k, l en entiers relatifs.
14. Densité des nœuds
Dans un réseau cristallin, cette densité est déterminée soit par unité de longueur soit
selon une direction soit selon une surface soit selon un plan soit selon un volume.
15. Sites dans les réseaux cristallins
On appelle site les espaces libres laissés entre les atomes du réseau.
Un site est un polyèdre dont certains des sommets correspondent au centre des atomes
qui les entourent.
Un site est octaédrique quand il est au centre d’un octaèdre et tétraédrique quand il est
au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par des nœuds du réseau.
16. Nombre de coordination
Souvent dit coordination d’un atome, le nombre total d’atomes de radicaux ou de
molécules entourant un atome central à des distances égales ou approximativement égales.
17. Valence électrostatique
On appelle valence électrostatique le rapport entre la charge d’un cation et le nombre
d’anions qui entourent ce cation.
Par conséquent, la somme des valences électrostatiques correspondant aux liaisons
venant aboutir à un ion doit être égale à sa charge.
18. Energie réticulaire
C’est l’énergie absorbée par une mole de cristal quand elle est disposée en ion séparée,
elle est d’autant plus forte que la charge des ions sera plus grande et que les ions sont plus
petits et que l’assemblage sera plus compact.
RANOARISON Haingo Hardy 6
I.2. Structure des minéraux argileux
1. Minéraux argileux
On appelle minéraux argileux des phyllosilicates hydratés, se présentant en très petits
cristaux et dont la structure est caractérisée par les superpositions des feuillets composés des
couches tétraédriques (tétraèdre d’atomes d’oxygène avec un atome de silice au centre) et des
couches octaédriques (octaèdre d’atomes d’oxygène avec un atome d’aluminium au centre).
figure 1 : Schéma de base des minéraux argileux
2. Feuillet et notations des feuillets
Il est constitué de silice assemblée en longue chaîne de couches tétraédriques et
octaédriques.
Quand un feuillet est constitué d’une couche tétraédrique et d’une couche octaédrique il est
noté 1/1.
Quand deux couches tétraédriques entourent une d’octaèdres, il est noté 2/1.
Quand de plus, l’inter foliaire est constitué d’une couche octaédrique, il est noté 2/1/1.
Si Oxygène Al
RANOARISON Haingo Hardy 7
3. Structure des minéraux argileux
a. La kaolinite (1/1, d = 7Å)
Il n’y a pas de substitution dans les couches. Le feuillet est neutre. La kaolinite se
forme dans les sols bien drainés, par pH acide, surtout en climat subtropical et tropical. Ses
cristaux sont souvent grands (jusqu’à 15µm).
b. Les illites (2/1, d = 10Å)
Il y a une association d’une couche octaédrique (alumineuse) et deux couches
tétraédriques (siliceuses). Mais il peut y avoir des substitutions (remplacement de Si par Al).
Des cations (K+) sont adsorbées dans l’espace inter foliaire afin de compenser le déséquilibre
des charges. C’est le minéral ubiquiste par excellence. Sa structure est proche de la muscovite
(plus d’eau, moins de K+).
c. Les smectites (2/1, d = 14Å)
L’empilement des feuillets est désordonné, chaque feuillet est tourné dans sont plan par
rapport au précédent. Les substitutions d’atomes sont importantes. Ce désordre et la faible
charge des feuillets facilitent leur écartement et l’adsorption des molécules variées (eau,
cations, molécules organiques) au niveau de l’espace inter foliaire qui s’écarte (d = 18Å). Les
smectites, ou montmorillonites, sont généralement calciques, plus rarement sodiques. Elles
sont formées dans les sols mal drainés plutôt alcalins. Les feuillets de smectites peuvent
s’intercaler régulièrement ou irrégulièrement avec d’autres feuillets argileux, souvent illitiques.
L’ensemble forme des interstratifiés.
d. La glauconie
La glauconie est un minéral vert ferrifère proche de l’illite exclusivement formé en
milieu marin peu profond.
e. Les chlorites (2/1, d = 14Å)
L’espace interfoliaire est garni par une couche composée de Mg et OH. L’Al est
remplacé localement par le Fe. Les chlorites existent en plus grands cristaux dans les roches
magmatiques ; elles sont également formées pendant la diagenèse des roches sédimentaires. On
les retrouve en éléments détritiques dans les sols sous climat peu agressif.
RANOARISON Haingo Hardy 8
f. La vermiculite (2/1, d = 12Å)
Elle est fréquente dans les sols de la zone tempérée. La couche octaédrique contient du
Fe et du Mg. La vermiculite est proche des illites et chlorite mais montre des propriétés
gonflantes.
g. Les argiles fibreuses
Les feuillets sont discontinus et forment des rubans. Les principaux types sont le
sépiolite et l’attapulgite ou paligorskite. On les trouve dans les milieux confinés.
4. Formule générale des minéraux argileux
Les minéraux argileux sont constitués de silicium, d’aluminium et d’ions hydroxyles
OH, organisés en couches, deux types selon que les oxygènes ou hydroxyles sont associés en
tétraèdres ou en octaèdres. Les couches de tétraèdres sont dominées par Si4+ et O-. Celles
d’octaèdres sont dominées soit par Al3+ (= couches dioctaédriques, 2 atomes suffisent pour
occuper les 6 sites de sommet de l’octaèdre) et OH-, soit par Mg2+ (= couches trioctaédriques,
3 atomes de magnésium sont nécessaires à l’équilibre des charges des octaèdres). Les couches
d’octaèdres et de tétraèdres s’accolent selon les plans, par mise en commun d’O et d’OH,
d’où la structure en feuillets séparés par des espaces interfoliaires.
Du fait des possibles substitutions partielles de Si4+ par Al3+ dans les tétraèdres, de Al3+ par
Mg2+, Fe2+ ou Fe3+ dans les octaèdres, il peut apparaître des déficits de charges positives,
déficits qui sont alors compensés par l’insertion de cations ou d’eau dans les espaces
interfoliaires.
De tout cela découle une formule générale conventionnelle des minéraux argileux, du type :
I.3. Classification et nomenclature
1. Les espèces argileuses
Comme les minéraux argileux sont des espèces microcristallines qui admettent de
multiples substitutions dans leur constitution chimique, leur caractère argileux est
principalement déterminé par quatre critères :
((Si4-xAlx) O10(Al2-yMgy) (OH)2) Kxy Couche tétraédrique Couche octaédrique Cation compensateur
RANOARISON Haingo Hardy 9
- la taille : qui doit être inférieure à 2µm ;
- le faciès : on a des particules dissymétriques, souvent en lamelle, qui peuvent
glisser les unes sur les autres ce qui lui confère plasticité et pouvoir adsorbant ;
- la possibilité de constituer des suspensions colloïdales ;
- la structure chimique d’un phyllosilicate.
Leurs caractéristiques s’en déduisent :
- la capacité d’échange cationique ;
- la capacité de rétention d’eau ;
L’équidistance correspondant à l’épaisseur du feuillet est l’interfoliaire.
2. Classification des minéraux argileux
On distingue plusieurs divisions :
- le groupe qui dépend du nombre de couches tétraédriques et octaédriques et donc
de l’épaisseur du feuillet ;
- le sous-groupe qui dépend du caractère di ou trioctaédrique de la couche
octaédrique ;
- les familles qui regroupent les termes d’une série continue. Les termes dépendent
des pourcentages de substitutions dans la couche octaédrique ;
- l’espèce dont la notion est réservée aux termes ultimes.
3. Couche di- et octaédriques
La couche octaédrique peut subir des substitutions de cations. Cette couche est qualifiée
de :
- dioctaédrique quand les cations trivalents (Al3+, Fe3+,…) occupent deux cavités
sur trois ;
- trioctaédrique quand les cavités sont toutes occupées par des cations bivalents
(Mg2+,…).
4. Nomenclature des argiles
Elle est principalement basée sur les caractères physico-minéralogiques et sur les
utilisations économiques.
I.4. Critères divers
Pour différencier les types de phyllosilicates, des critères sont essentiels dont les
principaux sont :
RANOARISON Haingo Hardy 10
- le mode d’empilement des feuillets de types différents comme les minéraux
argileux interstratifiés. Les édifices interstratifiés peuvent être réguliers, irréguliers,
ou avec ségrégation des paquets alternants, eux-mêmes parfois interstratifiés ;
- le mode d’empilement de feuillet identique quasi-régulier ;
- les équidistances entre feuillets variables par immixtion d’ion échangeables ou de
molécule d’eau ;
- le contenu du motif unitaire variable selon la nature des cations et selon la
localisation de substitutions des phyllosilicates.
Les tableaux suivants permettent de classifier les phyllosilicates et de visualiser les
possibilités de substitutions dans les différentes couches octa et tétraédriques. Cette série de
tableaux est établie par Caillère et Henri en 1963 et Voïnovitch en 1971.
Tableau 1 : Silicates hydratés.
Silicates hydratés
Cristallisés Amorphes allophane, etc
Fibreux Semi-phylliteux Phylliteux
10Å Palygoskites Attapulgite
12Å Sépiolite (Mg)
Xylotile (Fe, Mg)
9.08Å Chloritoïdes
Types simples
Types interstratifiés
Constitution de feuillet
1/1 2/1 2/1/1
RANOARISON Haingo Hardy 11
Tableau 2 : Feuillet du type 1/1 à épaisseur réelle 7Å.
(*) Te < 4 Si => La couche tétraédrique a des actions siliceux remplacés par d’autres.
Oc > 12/12 => La couche octaédrique accuse une surcharge électrique.
Fe2+ Grontedlite Fe3+ Al Bertierine oxydée Fe2+ et normale Al Amésite Mg Al Mg orthoantigorite Fe2+ Al Kollyite Mn Al Nimesite Ni
Charge croissante
Trioctaédrique
Feuillet de type 1/1 (épaisseur réelle 7Å
Dioctaédrique
Te = 4 Si
Oc = 12/12
Te < 4 Si (*)
Oc > 12/12
Te = 4 Si
Oc = 12/12
Te < 4 Si
Oc > 12/12
équidistance apparente variable
Al (Halloysite)
équidistance apparente
stable
Kaolinite Nacrite Dickite
Fire-clay
équidistanceapparente
stable
Dombassite
équidistanceapparente
stable
Ni (Nouméite) Mg (Antigorite) (Chrystolite) Fe2+ (Gicenalite) Fe2+ (Jenkinsite) Mg
équidistanceapparente
stable
RANOARISON Haingo Hardy 12
Tableau 3 : Feuillet du type 2/1 à épaisseur réelle 10Å dioctaédrique.
Te < 8 Si
Montmorillonite Béidellite Ni Montmorillonite
Wolchonskoïte Nontronite
Vermiculite Illite (muscovite)K Sericite Damourite Na Bramallite (Paragonite) Chromocre (Fuschite)K (Glauconite)
Feuillet du type 2/1 (épaisseur réelle 10Å)
dioctaédrique
Te = 8 Si
équidistance apparente
stable
équidistanceapparente variable
équidistance apparente variable
équidistanceapparente
stable
Oc = 12/12 Oc < 12/12 Oc = 12/12 Oc > 12/12 Oc = 12/12
Al Pyrophyllite AlCr Fe3
Smectites
Charge croissante
RANOARISON Haingo Hardy 13
Tableau 4 : Feuillet du type 2/1 à épaisseur réelle 10Å trioctaédrique.
Feuillet du type 2/1 (épaisseur réelle 10Å)
Trioctaédrique
Te = 8 Si Te < 8 Si
équidistance apparente
stable
équidistance apparente variable
équidistanceapparente variable
équidistanceapparente
stable
Oc = 12/12 Oc < 12/12 Oc = 12/12 Oc > 12/12 Oc = 12/12
Mg Talc Li, Mg Ni, Mg Talc Ni Fe2Mg Minnésotaïte ZnMg
Batavite Vermiculite nickelifère Vermiculite Jefferisite
(Phlogopite)
Ledikite (biotite)K
(lepidomélane)
Stevensite Saponite Hectorite (F) Bowlingite Sauconite
Smectites
RANOARISON Haingo Hardy 14
Comme variété, il faut tenir compte des oxydations (substitutions Fe3+ à Fe2+) et de la manière
dont les feuillets sont empilés 1T, 2T, 3T et les désordonnés X.
Tableau 5 : Feuillet du type 2/1/1 à épaisseur réelle 14Å.
Dioctaédrique
Feuillet du type 2/1/1 (épaisseur réelle 14Å)
Pseudo-chlorites Equidistance variable
Couche brucitique plus ou moins complète
Chlorites vraies (Faciès argileux, leptochlorite) Equidistance
Couche brucitique normale
Deficit de charge
partiellement composé par
les cations échangeable
Enumérer la nature de
deux couches octaédriques
en se référant aux chlorites
vraies
Feuillet mica 2/1
Dioctaédrique Trioctaédrique
Feuillet brucitique Feuillet brucitique
Trioctaédrique Dioctaédrique Trioctaédrique
chlorite décrite mais n’ayant pas encore de nom
manandonite quelque substitution de Si par B
Cookéïte lithinifère
se subdivisent en tenant compte de l’importance des substitutions Si-Al puis de la nature des cations constituant les couches octaédriques
RANOARISON Haingo Hardy 15
Tableau 6 : Types interstratifiés
Motif n° 1 2 3
Charges électriques
Couches élémentaires
Couches structurales
12- 16+ ou (16-x)+
10-
12+ ou (12+x)+
6-
7Å 60 4 Si
40,2 OH
4 Al
6OH
60 4 Si
40,2 OH
6 Mg
6OH
60 (4-x) Six Al
40,2 OH
(6-x) Mgx Al
6OH
Total = 0
Hexagonale
Compacte
Compacte
tétraédrique
octaédrique
Type de la couche octaédrique
dioctaédrique trioctaédrique
Substitution dans les couches tétraédriques et octaédriques
Minéral type
Kaolinite Antigorite berthierine
Tableau 7 : Groupes des minéraux à 7Å : motifs-unitaires types.
Groupe des minéraux à 7ÅMotif – unitaires types
Types interstratifiés
10Å favorable14Å stable
Empilement irrégulier Empilement régulier
Types à 10Å 10Å stable 10Å variable Hydromicas Rectorite Allevardite
10Å favorable14Å variable
Types mixtes 10-14Å
14Å stable 10Å variable Corrensite tosudite
Types à 14Å
14Å variable14Å stable Sangarite
Types 14-7Å Types divers
14Å stable 7Å stable
14Å variable 7Å stable
Kaolinite-Silice Anauxite
RANOARISON Haingo Hardy 16
Substitution couches Nom de la famille
Formule générale Caractère de la
couche octaédrique
tétraédrique octaédriqueEquidistance Observations
espèces importantes
Kaolinite
Halloysite
Dombassite
Antigorite
Barthièsine
(Si2)(Al2)O5(OH)4
(Si2)(Al2)O5(OH)4n
H2O
(Si2-xAlx)(Al2+x/3) O5(OH)4
(Si2) )R( 23
+
O5(OH)4
(Si2-x , +3xR ) (*) )RR( 2
x33x +
−+
O5(OH)4
di
di
di
tri
tri
sans
sans
avec
sans
avec
sans
sans
sans
stable
stable
stable
stable
stable
dickite, fire-clay (kaolinite
pure)
n~2
existence controversée
l’antigorite
nickélifère et le minerai de nickel de la
nouvelle caledonie
analogue à la
chlorite
Tableau 8 : Groupe des minéraux à 7Å : familles.
(*) R – ions métalliques divers
RANOARISON Haingo Hardy 17
Groupe des minéraux à 10Å : motifs-unitaires types
Schéma n° 1 2 3 4
Couche élémentaires
Couches structurales 6O, xK(**) (4-x)Si, xAl 4O, 2OH 4Al 4O, 2OH (4-x)Si, xAl 6O, xK
10Å
6O 4Si
4O, 2OH 4Al
4O, 2OH 4Si 6O
6O 4Si
4O, 2OH 6Mg
4O, 2OH 4Si 6O
6O 4Si
4O, 2OH (4-x)Al, xMg
4O, 2OH 4Si 6O
xCE*
Hexagonale
compacte
compacte
hexagonale
tétraédrique
octaédrique
tétraédrique
Type de la couche
octaédrique
dioctaédrique trioctaédrique dioctaédrique dioctaédrique
Substitution sans sans Dans couche octaédrique
Dans couche tétraédrique
Minéral type Pyrophyllite Talc montmorillonite Illite
Tableau 9 : Groupe des minéraux à 10Å : motifs-unitaires types.
(**) CE - cations échangeables. (*) K – cation de compensation.
RANOARISON Haingo Hardy 18
Groupe des minéraux à 10Å : famille
Substitution couche Nom de la
famille Formule générale Caractè
re de la couche octaédr
ique
tétraédrique octaédrique Equidistance Observation
espèces importantes
Pyrophyllite
Mont morillonite
Beidellite
Vermiculite
Illite
Talc
Stevensite Rectorite
Saponite
Vermiculite
Ledikite
Si4 Al2 O10 (OH)2
Si4 )RAl( 2xx2 +− O10(OH)2 CExNH2O
(Si4-xAlx)Al2O10(OH)2
CEx
(Si4-xAlx)Al2-y/3O10(OH)2 CEx-y
(Si4-xAlx)Al2O10(OH)2Kx
Si4MgO10(OH)2
Si4 )RMg( 2xx3+
− O10(OH)2 CEx
(Si4-xAlx) )R( 23
+ O10(OH)2
CEx
(Si4-xAlx) )RR( 2y3y 3
++− O10(OH)2CEx-y
(Si4-xAlx) )R( 23
+O10(OH)2
Kx
di di di di di tri tri tri tri tri
sans sans avec avec avec sans sans avec avec avec
sans
avec
avec
avec
avec
stable
variable
variable
variable
stable
stable
variable
variable
variable
stable
Montronite (Fe à la place
de H)
rare et généralement trioctaédrique
Glauconite
(Fe remplace en grande partie Al)
Tableau 10 : Groupe des minéraux à 10Å : familles.
(**) CE – cations échangeables (*) R – ions métalliques échangeables.
(**)
(*)
LES METHODES
DE
CARACTERISATION
Introduction
Etude géotechnique de l'échantillon
Analyse chimique des argiles
Analyse des argiles par la diffraction aux rayons X
Analyses thermiques
CHAPITRE
RANOARISON Haingo Hardy 19
DEUXIÈME CHAPITRE :
LES METHODES DE CARACTERISATION DES ARGILES
RANOARISON Haingo Hardy 20
II.1. Introduction
Les minéraux argileux ont une structure complexe. Ainsi, un recoupement de plusieurs
méthodes d’analyse et d’identification s’avère nécessaire pour conclure sur leurs structures. En
faite, Les résultats expérimentaux restent fiables si comparativement, leurs écarts avec des
standards et des valeurs théoriques données par la littérature sont tolérances. Les techniques
utilisées ultérieurement sont toutefois celles disponibles.
II.2. Etude géotechnique de l’échantillon
L’échantillon est ici considéré en tant que sol. Par conséquent, son étude géotechnique permet
de le reconnaître. Autrement dit, de décrire ses caractéristiques structurales, de l’identifier de le
classifier et enfin, d’avoir sa résistance mécanique.
A partir des résultats de cette étude géotechnique se déduisent la caractérisation de ce sol ainsi
que sa principale possibilité d’utilisations en tant que matériau.
1. Caractéristiques structurales des sols
a. Eléments constitutifs des sols
Les sols sont constitués par des particules solides dont les interstices appelés vides sont remplis
d’eaux et de gaz :
Les particules solides sont issues de désagrégation des roches ;
Les eaux dans les sols peuvent se présenter sous deux formes :
- eau libre qui peut circuler par pesanteur entre les particules solides et qui peut s’évaporer
entièrement lorsque le sol est porté à une température voisine de 105°C ;
- eau liée ou absorbée qui constitue une très mince couche d’eau autour des particules. Elle
n’est pas mobile et s’évapore vers 300°C ;
Le gaz est généralement de l’air avec de la vapeur d’eau
figure 2 : Eléments constitutifs des sols. Eau liée ou absorbée
Grains (particules)
Eau libre ou gravitaire
RANOARISON Haingo Hardy 21
b. caractéristiques physiques des sols
Les caractéristiques structurales d’un sol expriment la proportion relative de ses
différents constituants. Parmi ces caractéristiques nous énumérons :
- son poids spécifique γs
- son poids volumique humide γh
- son poids volumique sec γd
- sa porosité n
- son indice des vides e
- sa teneur en eau w
- son degré de saturation sr
- son poids volumique déjaugé γ´h
A partir de γs, γh, w, les autres caractéristiques γd, n, e, Sr, γ sath , γ '
h s’obtiennent
facilement comme le montre le tableau suivant :
En
fonction de
γs γh γd n e w Sr
γs γs )n1)(w1(h
−+γ
n1d
−γ n1
d
−γ )e1( γ d + w
ewrSγ n)-w(1
n wrS γ
γh )n1( )w1( s −+γ γh )w1(d +γ )n1)(w1(d −+γ e1w1
s ++γ w
w1n wrS +γ γγ wrs n)n1( S+−
γd )n1(s −γ w1h
+γ γd )n1(s −γ e1
s
+γ w1
h
+γ w
n wrSγ
n γγ
s
d1− )w1(1s
h
+−γ
γ γγ
s
d1− n e1e+ )w1(1
s
h
+−γ
γγ
γwr
h
)w1(w
S +
e 1d
s −γγ 1w1
hs −+γ
γ 1d
s −γγ n1
n− e 1w1
hs −+γ
γ γγ
wr
s
Sw
w )n1(sh
−γγ 1
d
h −γγ 1
d
h −γγ 1)n1(γ
γs
h −− 1e1s
h −+γ
γ w γγs
wreS
Sr )n1(nw
w
s −γγ
γγγ
w
sh
n)n1( −−
γγ
w
d
n.w
γγ
w
h
)w1(nw+
γγ
w
s
ew
γγ
w
s
ew Sr
Tableau 11 : Caractéristiques physiques du sol
RANOARISON Haingo Hardy 22
2. Identification des sols
a. Analyse granulométrique
L’analyse granulométrique d’un sol a pour but de déterminer la proportion de ses différentes
particules classées en fonction de leurs grosseurs. (NFP 94 - 056)
Pour les éléments fins d<80µ, il est difficile voir impossible de recouvrir à la méthode normale
de tamisage, on utilise alors la sedimentometrie. (NFP 94 - 057)
b. Plasticité d’un sol
Pour différencier un état d’un sol d’un autre, on met en exergue deux transitions appelées
limites d’Atterberg. Les essais sont effectués sur la fraction du sol passant au tamis de 0.42 mm
de diamètre. (NF P94-051)
Lorsque les particules fines sont à l’état de trace dans un sol, on ne peut plus les mesurer.
Ainsi, elles constituent une pollution à la pureté du sable. On procède donc à l’essai
"d’équivalence des sables" pour les sols pulvérulents passant à travers le tamis de 5 mm. (NF
P18 – 598)
c. Essai au bleu de méthylène
Cet essai peut remplacer l’essai "équivalent de sable" et les limites d’Atterberg. Il a pour but
de caractériser globalement la fraction argileuse contenue dans les sols. (NF P18 – 592G)
3. Résistances des sols
a. Compactage des sols – Essai Proctor
L’essai Proctor consiste à déterminer la teneur en eau optimale Wop d’un sol qui permet le
meilleur compactage de ce dernier pour une dépense d’énergie donnée. Il a pour but
d’augmenter les résistances des sols aux déformations par compactage (NF P94 – 093)
b. Poinçonnement des sols – Essai Californian Bearing Ratio C.B.R
L’essai C.B.R consiste à évaluer les résistances des sols au poinçonnement (NF P94 – 078)
RANOARISON Haingo Hardy 23
4. Classification des sols
a. Classification du H.R.B. (Highway Research Board)
Cette classification américaine se base à la fois sur la granulométrie et la plasticité.
Classification générale Au plus 35% de grains
plus petits que 80μ
Plus de 35% de grains
plus petits que 80μ
A1 A3 A2 A4 A5 A6 A7
A1a A1b A2-4 A2-5 A2-6 A2-7 A7-5 A7-6
Pourcentage passant
Au tamis de 2mm
Au tamis de 0,40mm
Au tamis de 80µ
Caractéristique de la fraction
passant au tamis de 2mm
- Indice de plasticité
- Limite de liquidité
- Indice de groupe
- Appellation générale
≤50
≤30
≤15
≤50
≤25
/51
≤10
Impossible à mesurer
-
0
Sable
fin
≤35
≤10
≤40
0
≤35
≤10
/41
0
≤35
/11
≤40
≤4
≤35
/11
/41
≤4
/36
≤10
≤40
≤8
/36
≤10
/41
≤12
/36
/11
≤40
≤16
/36
/11 Ip<
WL-30
/41
≤20
/36
/11 Ip>
WL-30
/41
≤20
Tableau 12 : Classification du H.R.B.
b. Classification LPC (Laboratoire des Ponts et Chaussées)
Cette classification repose sur l’étude de la courbe granulométrique et sur les limites
d’Atterberg. Elle introduit deux paramètres complémentaires :
- le coefficient d’uniformité défini par :
D10
D60Cu =
<6
Impossible à déterminer
Mélange de graviers
limoneux ou argileux avec
des sables limoneux ou
argileux
Sols
limoneux Sols argileux
RANOARISON Haingo Hardy 24
- le coefficient de courbure défini par :
( )D60D10
D30Cc
² ×=
où Di est la dimension.
Les gros éléments sont ainsi les éléments dont les diamètres excèdent 80μm tandis que
les éléments finis sont ceux dont les diamètres sont inférieurs à 80μm.
b.1. Classification des sols grenus
On appelle sol grenu un sol dont plus de 50% des éléments ont des diamètres
supérieurs à 80μm et dont la quantité en matière organique ne dépasse pas 10%.
Définitions Symboles Conditions Appellations
Gb Cu > 4 et 1 < Cc < 3 Grave propre bien
graduée Moins de 5%
de fine Gm Cu < 4 et Cc ∉ [1,3] Grave propre mal graduée
GL Ip au dessous de A Grave limoneuse
Plus de 50% des
gros éléments
> 2mm
Grave Plus de 12% de
fine GA Ip au dessus de A Grave argileuse
Sb Cu > 4 et 1 < Cc < 3 Sable propre bien gradué Moins de 5%
de fine Sn Cu < 4 et Cc ∉ [1,3] Sable propre mal gradué
SL Ip au dessous de A Sable limoneuse
Plus de 50% des
gros éléments
< 2 mm
Sable Plus de 12% de
fine SA Ip au dessus de A Sable argileux
Tableau 13 : Classifications des sols grenus du L.P.C.
b.2. Classification des sols fins
On appelle sol fin un sol dont plus de 50% des éléments ont des diamètres inférieurs à
80μm et dont la quantité en matière organique ne dépasse pas 10%
Pour classer les sols fins, on utilise le diagramme de plasticité de Casagrande suivant
RANOARISON Haingo Hardy 25
figure 3 : Diagramme de Plasticité, de Casagrande
Ap – argile peu plastique
At – argile très plastique
Lp – limon peu plastique
Lt – limon très plastique
Op – sol organique peu plastique
Ot – sol organique très plastique
RANOARISON Haingo Hardy 26
Définitions Symboles Détermination de WL et Ip
dans le diagramme de
plasticité
Appellations
Lp Limon (L) au dessous de la
ligne A dans la région IV
Limon peu
plastique
Lt Limon (L) au dessous de la
ligne A dans la région III
Limon très
plastique
Ap Argile (A) au dessus de la
ligne A dans la région I
Argile peu
plastique
MO ≤ 3%
At Argile (A) au dessus de la
ligne A dans la région II
Argile très
plastique
Fo - Lp
Sol faiblement organique
limoneux WL < 50
Sol faiblement
organique limoneux
peu plastique
Fo - Lt
Sol faiblement organique
limoneux WL > 50
Sol faiblement
organique limoneux
très plastique
Fo - Ap
Sol faiblement organique
argileux WL < 50
Sol faiblement
organique argileux
peu plastique
Sols fins MO ≤ 10%
Plus 50% des éléments < 0.08
mm
3% < MO ≤
10%
Fo - At
Sol faiblement organique
argileux WL > 50
Sol faiblement
organique argileux
très plastique
Tableau 14 : Classification des sols fins du L.P.C.
RANOARISON Haingo Hardy 27
b.3. Classification des sols organiques
Définitions Symboles Test Appellations
mO – a
( H10 à H7 )
Sol moyennement
organique à matière
organique amorphe
mO – sf
( H6 à H4 )
Sol moyennement
organique à matière
organique semi-fibreuse
Sols moyennement
organiques mO
10 < MO < 30%
mO – f
( H3 à H1 )
Test
d’humidification
Sol moyennement
organique à matière
organique fibreuse
tO – a
( H10 à H7 )
Sol moyennement
organique à matière
organique amorphe
tO – sf
( H6 à H4 )
Sol moyennement
organique à matière
organique semi-fibreuse
Sols organiques O
MO > 10%
Sols très organiques
tO MO > 30%
tO – f
( H3 à H1 )
Test
d’ humidification
Sol moyennement
organique à matière
organique fibreuse
Tableau 15 : Classification des sols organiques du L.P.C.
b.4. Résultat
De ces définitions se déduisent sept groupes de sols (graves, sables, limons, argiles,
sols faiblement organiques, sols moyennement organiques, sols très organiques) et vingt-deux
sous groupes de sols (grave propre bien graduée, grave propre mal graduée, grave limoneuse,
grave argileuse, sable propre bien graduée, sable propre mal graduée, sable limoneux, sable
argileux, limon peu plastique, limon très plastique, argile peu plastique, argile très plastique,
sol faiblement organique limoneux peu plastique, sol faiblement organique limoneux très
plastique, sol faiblement organique argileux peu plastique, sol faiblement organique argileux
très plastique, sol moyennement organique à matière organique amorphe, sol moyennement
organique à matière organique semi-fibreuse, sol moyennement organique à matière organique
fibreuse, sol très organique à matière organique amorphe, sol très organique à matière
organique fibreuse, sol très organique à matière organique amorphe, sol très organique à
matière organique semi-fibreuse, sol très organique à matière organique fibreuse).
RANOARISON Haingo Hardy 28
c. Classification G.T.R.
On utilise la classification GTR suivante pour les sols ayant Dmax ≤ 50mm
figure 4 : classification GTR (Dmax ≤ 50mm)
La classe A concerne les sols fins tels que :
A1 : limons peu plastiques, loess, silts alluvionnaires, sables fins peu polluées, arènes
peu plastiques, … ;
A2 : sables fins argileux, limons, argiles et marnes peu plastiques, arènes, … ;
A3 : argiles et argiles marneuses, limons très plastiques, … ;
A4 : argiles et argiles marneuses très plastiques, …
La classe B concerne les sols sableux et graveleux avec fines tels que :
B1 : sables silteux, … ;
B2 : sables argileux (peu argileux), … ;
B3 : graves silteuses, ... ;
B4 : graves argileuses (peu argileuses), ... ;
B5 : sables et graves très silteux, ... ;
B6 : sables et graves, argileux à très argileux.
RANOARISON Haingo Hardy 29
La classe D concerne les sols insensibles à l'eau tels que :
D1 : sables alluvionnaires propres, sables de dune, … ;
D2 : graves alluvionnaires propres, sables, …
II.3. Analyse chimique des argiles
Elle consiste à déterminer la composition élémentaire des minéraux argileux
généralement sous forme d’oxyde : la perte au feu (P.F), la silice (SiO2), l’aluminium(Al2O3),
le fer (Fe2O3), le manganèse (MnO), le calcium (CaO), les alcalins (Na2O), (K2O), le titane
(TiO2), le phosphore (P2O5), le gaz carbonique (CO2), le soufre (SO3) t les matières organiques.
1. Méthode physico-chimique d’extraction de la fraction argileuse :
Le pourcentage en argile d’un échantillon se déduit de son analyse granulométrique. La
fraction argileuse de cette argile est donc toute particule ayant un diamètre inférieur à 2 mμ
obtenu à partir de la sédimentiometrie (loi de Stockes).
Mais avant tout, il faut disperser les particules fines à l’aide des traitements chimiques
adéquats :
l’attaque à l’HCl dilué sert à éliminer le fer qui est le principal élément floculant.
L’attaque à H2O2 permet de détruire les matières organiques masquant les particules
d’argiles.
Les anions de l’hexametaphosphate de sodium annulent les forces électrostatiques entre
les feuillets d’argiles.
2. Méthode classique par voie humide :
Ces méthodes concernent le dosage gravimétrique, le dosage compléxométrique et le
dosage volumétrique afin de doser les éléments présents dans les minéraux argileux
considérés :
Pour doser la silice, on utilise la compléxométrie par l’acide éthylène diamine tétra
acétique à pH 4,5.
Our doser le fer, on utilise la manganimétrie et la compléxométrie par l’acide éthylène
diamine tétra acétique à pH 2,5.
Pour doser les autres éléments, on utilise la calorimétrie à l’eau oxygénée pour le
titane, l’oxalate manganimétrie pour le calcium et la précipitation de phosphate ammoniaco-
magnésium pour le magnésium, la spectrophotométrie de flamme pour les alcalins.
RANOARISON Haingo Hardy 30
3. Détermination chimique en fractions fines :
Tableau 16 : Organigramme de détermination chimique en fractions fines
II.4. Analyse des argiles par la diffraction aux rayons X
L’identification des différents types d’argile ne peut se faire de façon précise par une
analyse chimique classique. Le seul moyen précis d’identification est donc la diffraction X qui
en mesurant l’espace entre les feuillets élémentaires permet de classer le minéral de façon
certaine. Cette méthode n’est pas exclusive aux argiles mais s’y applique en priorité. Elle
consiste à envoyer un faisceau de rayon X sur le minéraux argileux (phillosilicates = 2 mμ ) qui
réfléchissent les rayons X les atteignant sous une incidence donnée et dans une direction
donnée.
Connaissant les paramètres su réseau on peut, d’après les disposition des maxima de
diffraction, déterminer les longueur d’onde λ des ondes diffractées c’est-à-dire réaliser
l’analyse spectrale des rayons X.
Inversement, connaissant la longueur d’onde des ondes diffractées par les minéraux
argileux à étudier ainsi que l’aspect de l’image de diffraction, on peut élucider leurs
structures.
échantillon
Attaque triacide mise en solution
filtration
filtratrésidu sur filtre
Calcination à 1000°C
pesée
Poids SiO2
%SiO2
dilution Dilution au1/2 dans HCl 5%
Dilution 5 fois dans La3+ 1% HCl 1%
Dilution 20 fois dans La3+ 1% HCl 5%
Dilution 10 fois dans La3+ 0.5% HCl 5%
Spectrophotométrie de flamme
Teneur Na
Teneur K
% Na2 % K2
Technique convenable
Spectrophotométrie d’absorption atomique
% P2O5 % TiO2 % Al2O3 % Fe2O3 % CaO % MgO
Silice Alcalins Phosphore Titane Aluminium Fer Calcium Magnésaium
RANOARISON Haingo Hardy 31
1. Méthodes d’étude aux rayons X
Pour un faisceau monochromatique de longueur d’onde donnée λ , abordant sous un
angle θ une famille de plans atomiques, séparés les uns des autres d’une distance réticulaire d,
les atomes diffusent dans toutes les directions et dans le cas où les rayonnements réfléchis par
deux plans successifs sont en phase, l’intensité correspondante est suffisante pour être mesurée.
figure 5 : Diffraction aux Rayons X des minéraux argileux.
La différence de marche entre deux rayons réfléchis par deux plans consécutifs étant :
δ = OH + OH’ = 2dSinθ
Ces deux rayons sont en phase si : δ = n λ
D’où la relation dite Loi de Bragg : 2dSinθ = n λ
En mesurant les angles de réflexion de rayonnement incident, on peut, connaissant λ ,
déterminer le distances réticulaires d d’un réseau cristallin, caractéristique d’un minéral
argileux donné.
θθ O
HH'O'd
RANOARISON Haingo Hardy
32
Attapulgite Sepiolite
Illite Hydrobiotite
Kaolinite Chlorite
Vermiculite (rare) Montmorillonite
Ammersorte Ou illite gonflante Chlorite gonflante
(rare)
(10-11)-6.4-5-4.43-3.62-3.27 ⊕ (11-12)-7.4-6.63-4.42-3.72-3.33 ⊕
10-5-3.33 ⊕ ?
7.16-3.57 ⊕ détruite (origine sédimentaire) détruite (origine sédimentaire)
(11-12) ⊕ (11-12) ⊕
détruite (origine sédimentaire) détruite (origine sédimentaire)
Désorganisée Désorganisée
Pas de modification10⊕
détruite 13-14-7.10-3.55 ⊕
14-7.10-3.55 ⊕ (10-11) ⊕ (10-11) ⊕
13-14-7.10-3.55 ⊕13-14-7.10-3.55 ⊕
Pas de modification Pas de modification Pas de modification
(12-13) ⊕ 7.16-3.57 ⊕
14-7.10-4.70-3.55 ⊕ 15-7.50-3.75 ⊕
(17-18) ⊕ (17-18) ⊕ (17-18) ⊕ (17-18) ⊕
Pas de modificationPas de modificationPas de modification
(10-11) ⊕ 7.16-3.57 ⊕
14-7.10-4.70-3.55 ⊕(10-11) ⊕ (11-12) ⊕
10 ⊕ 14-7.10-4.70-3.55 ⊕14-7.10-4.70-3.55 ⊕
Pas de modificationPas de modificationPas de modification
(10-11) ⊕ 7.16-3.57 ⊕
14-7.10-4.70-3.55 ⊕(10-11) ⊕ (11-12) ⊕ (11-12) ⊕
14-7.10-4.70-3.55 ⊕14-7.10-4.70-3.55 ⊕
Désorganisée Désorganisée
Pas de modification 10⊕
détruite 13-14-(7.10-4.70-3.55) ⊕
15 ⊕ (10-11) ⊕
10 ⊕ (17-18) ⊕ (17-18) ⊕
Espèces argileuses HCl, 2N ébullition 1h30 Cuisson 1h à 530°C CaCl2, N + glycerol KCl, N NH4Cl Cuisson à 530°C, en présence de CaCl2 +
glycerol
Minéraux identifiables di t t
Minéraux non identifiables di t t
Sédiments Agrégat i té b t
Attapulgite : (10-11)-6.4-5-4.43-3.62-3.27 ⊕ Sepiolite : (11-12)-7.4-6.63-4.42-3.72-3.33 ⊕ Illite : 10-5-3 33 ⊕
Kaolinite : 7.16-3.57 ⊕ Chlorite et Chlorite gonflante : 14-7.10-4.70-3.55 ⊕ Vermiculite Vermiculite gonflante : 14-7.10-rare-3.55 ⊕ Hydrobiotite : 12 ⊕ Montmorillonite : Na-H : (11-12) ⊕ Montmorillonite : Ca : (14-15) ⊕ illite gonflante K Na : (10 11) ⊕
Traitements complémentaires
* Après réhydratation par humidité
Tableau 1 : Schéma d’analyse des minéraux argileux par diffractométrie de rayon X
2. Schéma d’analyse des minéraux argileux par diffractométrie de rayons X
Remarques :
1° Minéraux interstratifiés se signalent par une raie correspondant à la somme des écarts
réticulaires de minéraux connus (au moins). Dans le cas d’interstratification régulière, on
retrouve les écarts réticulaires d’ordré élevé correspond à la première raie anormale observée.
2° Minéraux kaolinitiaires
Halloysite et métahalloysite = le séchage des agrégats orientés même à l’air ambiant, transforme
les halloysites en métahalloysites : celles-ci sont facilement identifiables par des écarts
réticulaires variant entre 7.30 et 7.5⊕. La cuisson prolongée à 200°C les ramène à 7.10⊕. Pour
reconnaître une halloysite, faire un spectre de Debye-Scherrer avec le sédiment brut, l’halloysite
qui sera caractérisée par une raie large et forte à environ 10 ⊕ (celle de l’illite est étroite et
relativement plus faible dans un D.S).
Berthierine = (rare) présente, outre les raies de la kaolinite à 7.16 et 3.57 ⊕ une raie à 2.81⊕
(qu’elle possède en commun avec la chlorite). Elle est détruite par HCl, 2N à l’ébullition ainsi
que la cuisson 1h à 530°C.
II.5. Analyses thermiques :
Les analyses thermiques enrichissent à titre de recoupement les renseignements obtenus par
d’autres techniques lors de la détermination des compositions minéralogiques. Elles consistent à
étudier le comportement des argiles sous l’action thermique c'est-à-dire le dégagement d’eau, les
réactions chimiques possible et favorables.
1. Analyse thermogravimétrique A.T.G.
Cette analyse thermogravimétrique à pour but de déterminer les pertes en poids en
fonction du temps. En discrétisant le tracé de la vitesse de perte de poids, on peut avoir la courbe
différentielle suivante :
)(tp t
p tΔΔ=Δ
Δ
Dont l’interprétation nous donne un précis renseignement.
2. Analyse thermique différentielle A.T.D. ou bidifférentielle
Lorsque la matière subit des transformations physiques ou chimiques, on peut étudier la
chaleur dégagée ou absorbée par cette matière à l’aide de cette analyse thermique différentielle
RANOARISON Haingo Hardy 34
a. Analyse thermique différentielle A.T.D.
Cette analyse est basée sur la mesure de la différence de température Δt soit entre l’échantillon et
la four soit entre l’échantillon à étudier et un corps neutre de référence qui ne subit aucune
modification thermique au cours de son chauffage, tous les deux sont soumis à une même lois de
chauffe.
La courbe obtenue nous renseigne sur le comportement de l’argile étudiée.
b. Analyse thermique bidifférentielle A.T.bD.
Cette analyse remplace le corps neutre inerte de référence par une substance voisine de celle à
analyser dont on connaît déjà la courbe A.T.D.
Cette méthode est nécessaire pour l’étude des modifications de structures subies par l’échantillon
à la suite des traitements préalables.
ETUDE
EXPERIMENTALE
Echantillonnage
Résultats sur l'étude géotechnique
Résultats sur l'analyse chimique
Résultats sur l'analyse thermique
CHAPITRE
RANOARISON Haingo Hardy 35
TROISIÈME CHAPITRE :
ETUDE EXPERIMENTALE
RANOARISON Haingo Hardy 36
III.1. Echantillonnage
1. Introduction
Notre recherche s'est basée sur les gisements de Mandray situés dans le massif d'ankaratra
pour la raison que les argiles de cette contrée ne sont pas encore étudiées de façon systématique.
2. Localisation des gisements
a. Situation géographique de Mandray
Selon la carte d'Antsirabe N°49 du Service de la géologie, dessinée par H. Besairie en
1964 ou celle de Institut géographique et Hydrographique National de Madagascar, les
coordonnées cartésiennes en planimétrie de Mandray sont :
XM = 467,4 et YM = 691,2
Sous une altitude de 1740 m = ZM, cette région de la commune d'Antsirabe I est centrée
en sa montagne rocheuse basaltique et délimitée par 6 fokontany dont au Nord Antanivolo, à
l'Ouest Antaboka, à l'Est Ambohimahasoana et au Sud Vohitrarivo – Ambovona.
RANOARISON Haingo Hardy 37
figure 6 : Gîtes de recherche Antsirabe (Mandray)
RANOARISON Haingo Hardy 38
b. Examen visuel des gîtes d'argiles
Pour localiser les gîtes d'argiles par la méthode visuelle, il est nécessaire de connaître les
propriétés bien particulières des minéraux argileux qui sont dues à la grande finesse, à la
structure des feuillets et aux charges négatives des particules :
- Les argiles forment avec l'eau des solutions colloïdales ;
- Les argiles fixant l'eau par adsorption à la surface et augmentant de volume par
gonflement. Elles absorbent l'eau et une fois saturées, elles deviennent imperméables;
- Les argiles sèches sont dures et happent la langue. Si on les rayait, on remarquerait
une couleur éclatante et vitreuse; elles développent une tension de succion importante
pour l'eau mais avec adjonction croissante d'eau, cette tension de succion diminue ;
- Un bâtonnet d'argile de 5 mm de diamètre et d'environ 10 cm de longueur, tenu par
son bout à l'horizontale ne se casse pas mais s'infléchit ;
- Les argiles sous l'effet de la chaleur, subissent un phénomène de retrait.
c. Zonage
Nous entendons par zonage, la manière d'inspecter cette région d'étude de façon que les
échantillons pris soient statistiquement significatifs pour l'étude expérimentale au laboratoire et
qu'ils soient significatifs pour l'étude expérimentale au laboratoire et qu'ils représentent
effectivement les variétés possibles d'argiles dans cette région.
Ainsi notre zonage nous a conduit à six échantillons de différentes couleurs dont les gîtes
sont exploitées en briqueterie artisanale et que les coordonnées géodésiques et altimétriques sont
repérées par voie satellitaire à l'aide d'un GPS Garmin Etrex de précision satisfaisante.
Tableau 17 : Couleurs et coordonnées des échantillons
Coordonnées géodésiques Echantillons D'argiles Couleur
Latitude λ [EO] Longitude φ[S] Altitude
Z[m]
MAN 1 Gris jaunâtre 47°04'12.6" 19°52'37.2" 1523
MAN 2 Noire grisâtre 47°04'13.2" 19°52'37.2" 1545
MAN 3 Blanche 47°04'13.9" 19°52'35.3" 1516
MAN 4 Jaune 47°04'14.8" 19°52'36.0" 1534
MAN 5 Rouge 47°04'13.4" 19°52'34.6" 1520 MAN 6 Noire goudron 47°04'14.4" 19°52'35.6" 1526
RANOARISON Haingo Hardy 39
figure 7 : Localisation géographique des gîtes de recherche
RANOARISON Haingo Hardy 40
III.2. Résultats sur l'étude géotechnique
1. Teneur en eau W, poids spécifique γs et volumique sec γd
Echantillons W [%] .γs [kN/m3] .γd [kN/m3] Densité γs/γw MAN 1 1.6 26.3 21.5 2.63 MAN 2 12.7 25.3 20.5 2.53 MAN 3 2.1 25.9 21.2 2.59 MAN 4 3.8 27.2 21.6 2.72 MAN 5 2.3 26.5 21.6 2.65 MAN 6 27.5 23.2 21.3 2.32
Tableau 18 : Teneur en eau W, poids spécifique γs et poids volumique sec γd
Les minéraux argileux sont tels que la montmorillonite à une densité de 2.4 alors que celle
de la kaolinite et de l’illite est de 2.6.
2. Analyse granulométrique
L'analyse granulométrique a été effectuée au Laboratoire National des Travaux Publics et
du Bâtiments (LNTPB).
Photo 1 : Série de tamis pour l'analyse granulométrique
RANOARISON Haingo Hardy 41
Cette analyse granulométrique montre effectivement la présence d'argiles sur le sol entier.
Echantillons % gros sable % sable fin % limon % argile MAN 1 40 30 16 13 MAN 2 34 21 29 15 MAN 3 38 31 19 11 MAN 4 40 30 13 13 MAN 5 36 23 16 21 MAN 6 09 41 38 23
Tableau 19 : Pourcentage pondéral suivant l'analyse granulométrique
RANOARISON Haingo Hardy 42
RANOARISON Haingo Hardy 43
3. Teneur en matière organique
a. Préparation des échantillons
Afin d'éliminer toute trace d'humidité, on a procédé à un étuvage à 105°C pendant 24 h.
Le matériau sec obtenu est ensuite broyé au moyen d'un pilon afin d'avoir une poudre fine
appelée mortier c'est-à-dire qu'on utilise le passant du tamis d'ouverture 0.4 mm pour l'essai.
b. Réalisation de l'essai
En premier lieu, on prépare une solution composée de 92.5 ml d'H2O2 à 6% étendue à 1l
avec de l'eau distillée. On met la prise de 3g dans une Becher tout en y ajoutant 10 ml de la
solution précédente. On chauffe le mélange. La température du mélange est homogénéisée de
temps en temps avec un agitateur.
Lorsqu'un thermomètre plongé dans la solution indique 60°C, on filtre la préparation. A la
fin de l'égouttage, l'échantillon est de nouveau mis à l'étuve.
c. Résultats de l'essai
On calcule la teneur en matière organique de chaque échantillon après pesée
%100P
PP.O.M1
21 −=
avec P1 = 3g
P2 : poids sec après chauffage
Référence Poids initial P1 [g] Poids final P2 [g] M.O. [%] Quantité
MAN 1 3 2.97 1.0 < 3 %
MAN 2 3 2.96 1.1 < 3 %
MAN 3 3 2.97 1.0 < 3 %
MAN 4 3 2.93 2.1 < 3 %
MAN 5 3 2.98 0.9 < 3 %
MAN 6 3 2.83 5.7 > 3 %
Tableau 20 : Teneur en matières organiques
Seule la quantité en M.O. de MAN 6 dépasse 3 %
RANOARISON Haingo Hardy 45
4. Limites d'Atterberg
Photo 2 : Préparation des échantillons au tamis 0.42 μm
Photo 3 : Appareil de Casagrande
RANOARISON Haingo Hardy 46
Photo 4 : Prise d'échantillon
Echantillons d'argiles
Limite de liquidité WL
Limite de plasticité Wp
Indice de plasticité
Ip = WL-Wp
Indice de consistance
MAN 1 35 22 13 2.57
MAN 2 43 26 17 1.78
MAN 3 42 26 16 2.49
MAN 4 51 26 25 1.89
MAN 5 53 28 25 2.03
MAN 6 83 48 35 1.59
Tableau 21 : Limites d'Atterberg
La détermination des limites d'Atterberg permet de se faire une idée sur la structure des
échantillons par le calcul de leurs indices consistance. Puisque Ic > 1, ces argiles sont
consistantes.
p
Lc I
WW I−
=
RANOARISON Haingo Hardy 47
Tableau 22 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 1)
RANOARISON Haingo Hardy 48
Tableau 23 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 2)
RANOARISON Haingo Hardy 49
Tableau 24 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 3)
RANOARISON Haingo Hardy 50
Tableau 25 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 4)
RANOARISON Haingo Hardy 51
Tableau 26 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 5)
RANOARISON Haingo Hardy 52
Tableau 27 : Limites d'Atterberg S.04 W1 – Wp =1p (MAN 6)
RANOARISON Haingo Hardy 53
5. Activité
L’activité des argiles peut être exprimée en fonction de l’indice de plasticité Ip et la teneur en
argile ta% selon la figure suivante :
figure 8 : Activité des argiles
A titre de référence, on indiquera l'activité de certaines argiles courantes
Minéral Activité A
Kaolinite 0,33 à 0,46
Illite 0,90
Montmorillonite Ca 1,50
Montmorillonite Na 7,2
Tableau 28 : Activité des argiles courantes
Argiles normales
Argiles actives
Argiles inactives
0.75 1.25ta%
RANOARISON Haingo Hardy 54
Le tableau suivant regroupe l'ensemble de résultats obtenus sur nos échantillons d'argiles :
Référence P(%<2μ) P(%<0.4mm) .ta[%] Ip .a Argile
MAN 1 13 64 20.31 13 0.35 Inactive
MAN 2 15 73 20.54 17 0.47 Inactive
MAN 3 11 71 15.49 16 0.92 Normale
MAN 4 13 64 20.31 25 0.98 Normale
MAN 5 21 70 30 25 0.92 Normale
MAN 6 23 94 25 35 1.32 Active
Tableau 29 : Activité des échantillons d'argiles
6. Compressibilité
L'indice de compression remanié corrigé, pouvant remplacer les essais à l'œdométrie (qui
sont longs) pour les argiles, est donné par la formule de Skempton :
Cc = 0.009 (WL – 10)
Ainsi pour nos échantillons :
Référence WL Cc Argile
MAN 1 35 0.225 Raide
MAN 2 43 0.297 Moyenne
MAN 3 42 0.288 Moyenne
MAN 4 51 0.369 Moyenne
MAN 5 53 0.387 Moyenne
MAN 6 83 0.657 Moyenne
Tableau 30 : Compressibilité des échantillons d'argiles
RANOARISON Haingo Hardy 55
7. Classification des échantillons étudiés
a. classification de HRB
Référence % f WL WL - 30 Ip Nature HRB
MAN 1 52 35 15 13 Sol argileux A6
MAN 2 57 43 13 17 Sol argileux A7-6
MAN 3 50 42 12 16 Sol argileux A7-6
MAN 4 52 51 21 25 Sol argileux A7-5
MAN 5 51 53 23 25 Sol argileux A7-5
MAN6 88 83 53 35 Sol argileux A7-5
Tableau 31 : Classification du HRB
La classification du HRB montre que tous les échantillons étudiés sont sans exception des
sols argileux ;
b. Classification LPC
Référence % F WL % .α = 0.73 (WL-20) Ip région Nature LPC
MAN 1 52 35 10.95 13 I Argile peu plastique Ap
MAN 2 57 43 16.79 17 I Argile peu Plastique Ap
MAN 3 50 42 16.06 16 I Argile peu plastique Ap
MAN 4 52 51 22.63 25 II Argile très plastique At
MAN 5 51 53 24.09 25 II Argile très plastique At
MAN 6 88 83 45.99 35 III Limon très plastique Lt
RANOARISON Haingo Hardy 56
Tableau 32 : Classification LPC des échantillons d'argiles
Concernant MAN 6, on peut mener une discussion, car cet échantillon pourrait s'agir
d’une argile à forte teneur en matière organique vu que la quantité en MO excède 3 %.
figure 9 : Position des échantillons d'après le diagramme de Casagrande.
Pour le cas de MAN 3, α = Ip = 16 en commettant une erreur de 6/100 inférieure à la
tolérance pour le calcul de Ip
c. Classification G.T.R.
En utilisant cette classification, nous avons les résultats suivants :
Référence Passant à 80µm
%F
Ip Classification GTR
MAN 1 52 13 A 2
MAN 2 57 17 A 2
MAN 3 50 16 A 2
MAN 4 52 25 A 3
MAN 5 54 25 A 3
MAN 6 88 35 A 4
RANOARISON Haingo Hardy 57
Tableau 33 : Classification GTR des échantillons de Mandray.
On peut conclure que :
- Les échantillons MAN 1, MAN 2, MAN 3 sont des argiles peu plastiques ;
- Les échantillons MAN 4, MAN 5 et MAN 6 sont respectivement des argiles
marneuses et limon très plastiques : ces sols sont très cohérents à teneur en eau
moyenne et faibles, et collants ou glissants à l'état humide. Leur perméabilité très
réduite rend leurs variations de teneur en eau très lentes en place. Une augmentation
de teneur en eau assez importante est nécessaire pour changer notablement leur
consistance.
d. Résistance et gonflement des sols
Les résultats obtenus à partir des essais effectués se présentent comme suit :
Référence VBS CBR Gonflement à WOPM
MAN 1 2,5 3 0,04
MAN 2 2,7 3 0,06
MAN 3 2,6 3 0,06
MAN 4 6 1 0,08
MAN 5 6 1 0,08
MAN 6 6,7 1 0,11
Tableau 34 : Résistance et gonflement des argiles de Mandray
On peut conclure qu'en utilisant la corrélation entre les essais classiques et l'essai au bleu
de méthylène, nous constatons que plus la valeur en bleu de ces argiles est grande, plus leur force
portante mesurée à l'aide de l'indice portant californien C.B.R est faible et plus leur gonflement à
teneur en eau optimale est grand.
RANOARISON Haingo Hardy 58
III.3. Résultats sur l'analyse chimique
1. Analyse sédimentométrique
Photo 5 : Tamisage à l'eau pour recueillir les < 80 µm
a. Préparation des échantillons :
On prend 4 éprouvettes de 1l après les avoir imbibé pendant 12 h et agité mécaniquement
pendant 3 mn à 12 000 tours/mn.
On prépare 2l d'eau distillée ajoutée de 80g de fines ainsi que 3g d'hexametaphosphate de
Sodium.
RANOARISON Haingo Hardy 59
Photo 6 : Différents types de densimètres.
Photo 7 : Poudre d'hexametaphosphate de sodium
RANOARISON Haingo Hardy 60
b. Réalisation de l'essai :
Après agitation manuelle, on fait des lectures sur le densimètre à 30s, 1mn, 2mn, sans
retirer le densimètre (GCR, GCN, PCNL, PCNC) puis à 5mn, 10mn, 20mn, 40m, 80mn, 4h et
24h en plongeant le densimètre 30s avant chaque lecture et en prélevant la température après
lecture. On corrige les lectures en fonction de la température et du densimètre par abaque. Enfin,
on calcule les traces.
Soit Ø les diamètres équivalents D(μ)
% grains < D
% grains P/R échantillon total
Ø ( )mnt]cm[RhF d0 −
=
H0 - Rd étant la profondeur effective
F est un coefficient lu par abaque et dépendant de la température et du poids volumique.
Photo 8 : Eprouvette d'essai
RANOARISON Haingo Hardy 61
Photo 9 : Agitation mécanique
Photo 10 : Lecture sur densimètre
c. Les résultats de l'analyse sédimentométrique
RANOARISON Haingo Hardy 62
RANOARISON Haingo Hardy 63
Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 1)
RANOARISON Haingo Hardy 64
Tableau 35 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 2)
RANOARISON Haingo Hardy 65
Tableau 36 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 3)
RANOARISON Haingo Hardy 66
Tableau 37 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 4)
RANOARISON Haingo Hardy 67
Tableau 38 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 5)
RANOARISON Haingo Hardy 68
Tableau 39 : Analyse granulométrique par sédimentométrie (MAN 6)
RANOARISON Haingo Hardy 69
2. Analyse chimique pour les teneurs en éléments :
En général, d’après les normes en vigueur, les compositions chimiques des argiles
sont :
-l’oxyde de silicium ( SiO2 ) : 35 à 80% ;
- l’oxyde d’Aluminium ( Al2O3 ) : 8 à 25% ;
- l’oxyde de fer ( Fe2O3 ) : 2 à 8% ;
-l’oxyde de sodium ( Na2O ) : 2 à 10% ;
-l’oxyde de calcium ( CaO ) : 0 à 2% ;
L'analyse effectuée en laboratoire indique les résultats suivants :
Référence PF SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO Mg O Na2O K2O
MAN 1 13.8 39.2 36.3 09.1 0.8 0.1 0.2 tr 0.2
MAN 2 15.0 36.7 39.4 08.2 1.1 0.1 0.1 tr 0.2
MAN 3 14.1 40.3 27.2 08.3 0.8 0.1 0.1 tr 2.0
MAN 4 15.2 36.2 26.2 21.4 4.3 tr tr tr tr
MAN 5 14.1 40.3 23.7 15.5 1.2 0.1 0.1 tr 1.7
Tableau 40: Résultats des analyses chimiques pour les teneurs en éléments.
Pour ces échantillons de Mandray, on constate que :
- les teneurs en silice et en oxyde de calcium correspondent aux teneurs fixées par la
norme ;
- il est un dépassement de la teneur en alumine de 1 à 9% tandis que celui du fer est de
0,2 à 13,4% ;
- la teneur en oxyde de sodium est à l’état de trace.
RANOARISON Haingo Hardy 70
Ainsi :
- le retrait de chaque échantillon est influencé par la teneur en oxyde de silicium qui
constitue en quelque sorte le squelette ;
- l’excès en alumine influe sur l’indice de plasticité de l’échantillon ;
- l’excès en oxyde de fer joue un grand rôle de fondant au cours de la cuisson et est à
l’origine de la couleur terminale de l’échantillon. Associé à la teneur en oxyde alcalin
comme le potasse variant de 0 à 2% , on entraîne des réactions de grésage ou de
polissage qui donnent aux produits finis leurs qualités définitives, surtout leur
résistance mécanique .
III.4. Résultats sur l'analyse thermique
Photo 11 : Fours à basse température et à haute température
1. Analyse thermogravimétrique
Les résultats de l'analyse thermogravimétrique effectuée de façon discontinue sur les
échantillon d'argiles de Mandray se présentent comme suit :
RANOARISON Haingo Hardy 71
Masses [g]
Aux différentes températures [°C]
Echantillons d'argiles
t0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
MAN 1 100 98.5 98.2 98.1 98.0 97.0 88.2 87.9 87.5 87.4 87.4
MAN 2 100 90.0 87.0 86.1 85.5 82.0 76.0 75.8 75.0 74.9 74.9
MAN 3 100 97.3 96.9 96.1 94.5 94.1 91.5 90.8 90.7 90.7 90.7
MAN 4 100 96.2 93.9 92.8 91.9 91.8 88.0 86.1 85.8 85.2 85.2
MAN 5 100 97.9 96.8 96.0 95.6 94.0 91.6 90.7 90.6 90.5 90.5
MAN 6 100 98.1 97.7 95.1 92.4 86.1 85.5 84.9 84.3 84.2 84.1
Tableau 41 : Relevé des masses aux différentes températures
Photo 12 : Balance électronique de précision
Les pertes en masse [%] aux différentes températures θ [°C] ce calculent par :
=θ−
=θ−
)0(P)(P)0(P
)0(m)(m)0(m pertes en poids [%]
RANOARISON Haingo Hardy 72
Masses [g]
Aux différentes températures [°C]
Echantillons d'argiles
t0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
MAN 1 0 1.5 1.8 1.9 2.0 3.0 11.8 12.1 12.5 12.6 12.6
MAN 2 0 10 13.0 13.9 14.5 18.0 24.0 24.2 25.0 25.1 25.1
MAN 3 0 2.7 3.1 3.9 4.5 5.9 8.5 9.2 9.3 9.3 9.3
MAN 4 0 3.8 6.1 7.2 8.1 8.2 12.0 13.9 14.2 14.8 14.8
MAN 5 0 2.1 3.2 4.0 4.4 6.0 8.4 9.3 9.4 9.5 9.5
MAN 6 0 1.9 2.3 4.9 7.6 13.9 14.5 15.1 15.7 15.8 15.8
Tableau 42 : Pourcentage des pertes en poids aux différentes températures.
On peut ainsi tracer une à une les courbes thermogravimétriques correspondantes :
figure 10 : Courbe thermogravimétrique de MAN 1
Couleur avant cuisson = grise jaunâtre
Couleur après cuisson à 1000°C = rose claire
RANOARISON Haingo Hardy 73
figure 11 : Courbe thermogravimétrique de MAN 2
Couleur avant cuisson = noire grisâtre
Couleur après cuisson à 1000°C = rose claire
RANOARISON Haingo Hardy 74
figure 12 : Courbe thermogravimétrique de MAN 3
Couleur avant cuisson = blanche
Couleur après cuisson à 1000°C = rouge
figure 13 : Courbe thermogravimétrique de MAN 4
Couleur avant cuisson = jaune
Couleur après cuisson à 1000°C = Rouge
RANOARISON Haingo Hardy 75
figure 14 : Courbe thermogravimétrique de MAN 5
Couleur avant cuisson = rouge
Couleur après cuisson à 1000°C = rouge
figure 15 : Courbe thermogravimétrique de MAN 6
Couleur avant cuisson = noire goudron
Couleur après cuisson à 1000°C = rouge
RANOARISON Haingo Hardy 76
On peut en conclure que :
La courbe de déshydratation de MAN1 se caractérise par une faible quantité d’eau
hygroscopique, départ faible jusqu’à 400°C, un départ d’eau de constitution très
brusque à 480°C et à 570°C. Enfin un départ d’eau très faible à partir de 600°C
s’annulant complètement vers 900°C.
MAN1 est de la kaolinite probable.
La courbe de déshydratation de MAN2 montre un départ très poussé d’eau zéolithique
jusqu’à 150°C suivi d’une perte faible jusqu’à 350°C,température à laquelle s’amorce le
départ de l’eau de constitution.
MAN2 est de l’halloysite probable.
La courbe de déshydratation de MAN3 montre un départ prématuré d’eau zéolithique
à 95°C et un départ d’eau de constitution à 450°C puis un départ d’eau très faible à
partir de 650°C.
MAN3 est de l’illite probable.
La courbe thermogravimétrique de MAN4 montre trois crochets importants aux
températures 100°C, entre 400°C et 500°C puis à 730°C correspondant aux libérations
des eaux dans cet échantillon .C’est une courbe intermédiaire entre celle de la
kaolinite et celle des illites.
MAN4 est de la kaolino-illitique probable à prédominance illitique.
La courbe thermogravimétrique de MAN5 montre un départ d’eau zéolithique à 100°C
et un départ d’eau de constitution à 420°C puis un départ d’eau très faible à partir de
700°C.
MAN5 est de l’illite probable.
La courbe de déshydratation de MAN6 se caractérise par la perte de masse due aux
matières organiques vers 230°C.
MAN6 est de la kaolinite probable contenant des matières humides.
INTERETS
ECONOMIQUES
DES ARGILES
Echantillonnage
Utilisations des argiles de Mandray-Antsirabe
CHAPITRE
RANOARISON Haingo Hardy 77
CHAPITRE QUATRE:
INTERETS ECONOMIQUES DES ARGILES
RANOARISON Haingo Hardy 78
IV.1.Généralités
Leur importance économique est considérable puisqu'elles sont employées dans des
nombreuses industries: céramique, porcelaine, briques et tuiles, ciments, réfractaires et produits
émaillées, fonderie, chimie, raffinage, boues de forage, colorants, adsorptions des matières
organiques, pigments.
Les argiles employées dans les différentes fabrications énumérées ci-dessus sont très
variables en nature et en composition. Elles sont constituées par une fraction argileuse et une
fraction non argileuse:quartz, feldspaths, minéraux lourds, oxydes de fer et d'alumine, matières
organiques. Ce sont les propriétés de ces argiles qui délimitent les domaines de leurs utilisations.
Les principaux gisements d'argiles sont soit autochtones soit allochtones. Les
différentes variétés peuvent avoir les utilisations suivantes:
- les kaolins (kaolinite et halloysite), en céramique, charges notamment pour le
papier, le caoutchouc...et couchage du papier, réfractaires;
- les argiles à tuiles et briques, en poterie, produits réfractaires, briques et tuiles,
agrégats légers;
- les bentonites, en fonderie, bouletage des minerais, pour les insecticides et les
fongicides, en filtration, boues de forage, chimie, adsorbants;
- les terres à foulon, pour les insecticides et les fongicides, les boues de forage,
l'adsorption.
1. Les argiles pour les céramiques:
Ce sont des matériaux argileux de composition variable au sein desquels la kaolinite à
feuillets d'une épaisseur de 7 A est la phase dominante, les autres constituants les plus fréquents
étant d'autres minéraux argileux du quartz et de la matière organique.
Dans les bassins sédimentaires détritiques, les kaolinites sont souvent mélangées avec
d’autres types d'argiles telles que l' halloysite, la sépiolite, l'attapulgite, les smectites.
a. Propriétés:
-forte teneur en aluminium;
-réfractivité;
-plasticité;
RANOARISON Haingo Hardy 79
-coulabilité;
-faible retrait au séchage et à la cuisson;
-résistance mécanique;
-pouvoir couvrant élevé;
-inertie chimique.
b. Utilisations:
- charge inerte pour la papeterie;
- pharmacie;
- industrie en général;
- produits céramiques: carreau de revêtement, vaisselle, poterie, pièces
sanitaires et produits réfractaires.
2. Les argiles à halloysite
L'halloysite est une argile de la famille de kaolin dont les feuillets sont d'épaisseur 10 A et
elle est hydratée.
a. Propriétés
-structure cristalline différentiée;
-blancheur et pureté chimique élevées.
b. Utilisations
- fabrication des céramiques fine;
- dans les charges;
- supports de catalyse dans l'industrie de raffinage de pétrole.
3. Les argiles absorbantes
*Les argiles à attapulgite et à sépiolite:
Ce sont des argiles dans lesquelles, on a des entrelacés des fibres ayant les
dimensions de 2 à 5 µm pour l'attapulgite et 5 à 10 µm pour la sépiolite.
a. Propriétés
-surface spécifique élevée ;
-pouvoir absorbant élevé;
-faible pouvoir adsorbant;
-bonne viscosité par effet mécanique.
RANOARISON Haingo Hardy 80
b. Utilisations
-granulés absorbant pour les litières pour animaux domestiques;
-les absorbants de sol et dans les forges en mer;
-les boues en milieu salé saturées;
-objets en porcelaine;
-charges minérales pour les engrais;
-industrie pharmaceutique;
-cosmétique;
-supports de produits phytosanitaires pour les sols.
*Les argiles à smectites ou bentonites:
Les argiles à smectites ou bentonites sont des argiles essentiellement composées des
minéraux de groupe des smectites: montmorillonite, beidellite, saponite à teneurs variables en
sodium, aluminium, fer, magnésium, en feuillets à trois couches d'une épaisseur de 14Angström,
valeur qui varie en fonction de la teneur en eau.
a. Propriétés
i) smectites:
- viscosité;
- plasticités;
- retrait -gonflement;
- pouvoir adsorbant élevé;
- pouvoir couvrant élevé;
- faible pouvoir absorbant.
ii) bentonites:
- capacité d'échange cationique;
- piégeage par liaison covalente de grosses molécules organiques comme les
toxines, les alcaloïdes.
RANOARISON Haingo Hardy 81
b. Utilisations
i) smectites:
°smectites naturelles:
- la pharmacie;
- la diététique;
- la cosmétique;
°smectites actives:
- la clarification des vins;
- la décoloration des huiles;
- les boues de forage pétrolier;
- les boues pour les travaux publics;
- liants pour moules de fonderie.
ii) bentonites:
°bentonites calciques:
- dégraissage de la laine;
- absorbants des sols et les litières animales;
- charges dans les boues de forage et ciment;
°bentonites sodiques:
- fabrication de fonderie;
- bouletage des minerais de fer.
4. Les Ocres
a. Ocre jaune
Argile riche en limonite, l'ocre jaune, est utilisée dans les peintures, les mortiers et en céramique
pour teinter les émaux. Son principe actif est l'oxyde de fer hydraté appelé goethite. Elle se
présente:
- en poudre;
- en brut d'extraction de carrière.
RANOARISON Haingo Hardy 82
Son analyse chimique de référence avec 20% d'eau est la suivante:
SiO2 63, 76 %
Al2O3 12, 06 %
Fe2O3 20, 19 %
K2O 0, 96 %
Na2O 0, 11 %
TiO2 0, 61 %
CaO 0, 07 %
MgO 0, 21 %
P2O5 0, 42 %
Tableau44.constituants de l’ocre jaune
b. Ocre rouge
Pour un produit plus régulier dans le temps, l'ocre rouge est obtenue par calcination de
l'ocre jaune à 600°C. L'ocre rouge naturelle est utilisée dans les peintures et les mortiers. Elle
se présente en poudre.
Son analyse chimique de référence avec 20% d'eau est la suivante:
SiO2 61, 52 %
Al2O3 12, 97 %
Fe2O3 22, 24 %
K2O 1, 03 %
Na2O 0, 10 %
TiO2 0, 62 %
CaO 0, 06 %
MgO 0, 26 %
P2O5 0, 29 %
P.F 1, 60 %
Tableau45.constituants de l’ocre rouge
RANOARISON Haingo Hardy 83
c. Hématite
Il est utilisé pour teinter les peintures, les mortiers ou en céramique pour teinter les argiles ou
les émaux. Il se présente:
-en poudre;
-en brut d'extraction de carrière.
Son analyse chimique de référence avec 20% d'eau est la suivante:
SiO2 37, 41 %
Al2O3 12, 76 %
Fe2O3 37, 40 %
K2O 1, 12 %
Na2O 0, 05 %
TiO2 0, 60 %
CaO 0, 83 %
MgO 0, 51 %
P2O5 0, 46 %
MnO 0, 02 %
Tableau46.constituants de l’hématite
d. Propriétés
En tant que pigments minéraux naturels, ces ocres possèdent leurs propres couleurs et des
propriétés bien définies propres à tous les pigments:
- le pouvoir couvrant;
- le pouvoir colorant;
- la finesse;
- la stabilité à la lumière;
- la stabilité au feu;
- la stabilité aux actions thermiques;
- la stabilité aux intempéries.
RANOARISON Haingo Hardy 84
IV.2. Utilisations des argiles de Mandray-Antsirabe
1. Hourdis en terre cuite
a. Processus de fabrication des hourdis et entrevous en terre cuite
A partir de nos échantillons illitiques ou kaolino-illitiques, nous pouvons fabriquer des
hourdis en terre cuite, qui de nos jours ont tendance à remplacer la dalle pleine en béton armé du
fait non seulement de leur isolation acoustique et thermique très performante mais aussi de leur
résistance au feu confirmée. Nous pouvons aussi fabriquer des briques artisanales améliorées.
La fabrication comprend plusieurs phases dont les principales sont:
- l'extraction des matières premières;
- la préparation;
- le façonnage;
- le séchage;
- la cuisson.
i) extraction:
L'extraction des matières premières:les argiles d'une part, et les éléments dégraissants
d'autre part, peut se faire à la pelle mécanique, à l'excavateur, à l'aide de défonceuses,
décapeuses, bouteurs, chargeuses, pelles.
Les éléments dégraissants donnent aux produits une texture moins compacte facilitant
Ainsi l'évacuation de l'eau pendant le séchage et les dégagements gazeux pendant la cuisson. On
en cite:
- le sable, de granulométrie de 0,2 à 1mm, exempt de calcaire, à des doses de 30% au
maximum;
- la chamotte.
Dès fois, on emploiera des ajouts pour corriger les défauts éventuels de fabrication.
RANOARISON Haingo Hardy 85
ii) préparation de la pâte:
Elle a pour but :
- d’éliminer les impuretés;
- d’émietter les argiles;
- de former le mélange;
- d’homogénéiser et d'humidifier ce mélange.
La pâte est rendue plastique par ajout d'eau .Autrement dit , elle peut se déformer sans
rupture sous une certaine sollicitation et garder la forme désirée lorsque celle-ci a cessé
.Cependant, cette plasticité dépend de nombreux facteurs tels que la finesse,le pourcentage
d'éléments inertes et la nature minéralogique des argiles .Il y a un simple procédé pour rendre au
produit une meilleure plasticité: il s'agit de l'enfonçage ou encore le pourrissage consistant à
stocker les argiles mi-préparées et contenant une partie de son eau de façonnage pendant 2 à 4
semaines dans des fosses.
La préparation de la pâte est une étape très importante que nous devons mener à bien car
dans le cas contraire, nous assisterons à des produits fêlés ou cassés.
iii) façonnage:
Le façonnage des produits en terre cuite nécessite de l'étirage et du pressage. Le façonnage
rend à la pâte une cohésion suffisante: nous assistons ,d'une part, à l'intensification de la
compression de la pâte, à l'élimination de l'air dans les argiles et à l'amélioration de la plasticité
par mouillage additionnel et d'autre part, à la mise en forme désirée par moulage.
iv) séchage:
Les produits sont façonnés avec une teneur en eau de 15% à 30% par rapport au poids
sec. Puis, à la sortie du séchoir, les produits ne doivent plus contenir que 1 à 2% d'eau
résiduelle.
RANOARISON Haingo Hardy 86
v) cuisson:
Les produits sont soumis à une cuisson afin qu’ils acquièrent leur résistance mécanique
définitive, leur stabilité et leur résistance aux intempéries. Nous ferons en sorte que le mélange
intime entre les combustibles et l'air de combustion ramène la température initiale à la
température de cuisson pour que tous les produits soient soumis aux mêmes effets thermiques.
b. Avantages qualitatifs du plancher à corps creux
i) rapidité d'exécution et facilité de pose:
Les hourdis sont simplement posés entre deux poutrelles. Aussi, une petite épaisseur de
béton armé posé au-dessus de ce simplexe suffit-elle à constituer un plancher d'étage.
Le rendement des travaux dépend avant tout de la gestion des personnels. Notre étude
consiste à comparer le rendement du délai d'exécution entre un plancher à corps creux et un
plancher en dalle pleine avec une aire de pose de 19,58 m²: cas de notre chantier de bâtiment:
° Le plancher est effectivement à corps creux:
-Coffrage:
Nous savons par expérience que le rendement normal de 4m²/jour pour effectuer cette tache
est d'employer 1 manoeuvre et1 charpentier. Ainsi, en mobilisant 3 charpentiers et 3
manoeuvres, on peut réaliser en une journée et demi le coffrage y compris les étayages du
plancher alors que la mise en place des hourdis de coffrage s'effectue en une demi-journée
moyennant 2 manoeuvres.
-Ferraillage:
Comme les armatures nécessaires ont déjà été façonnées en une demi-journée parallèlement
au coffrage et que le rendement normal de 7m²/jour pour effectuer cette tache est d'employer 1
manoeuvre et1 ferrailleur. Ainsi, en mobilisant 4 ferrailleurs et 4manoeuvres, on peut réaliser en
une demi-journée le ferraillage du plancher.
-Bétonnage:
Le volume total de béton du plancher est de: V=1,69m3.Normalement, 10 manoeuvres et 3
maçons arrivent à couler de béton par jour. Ainsi, une journée suffit pour entreprendre le
bétonnage du plancher.
RANOARISON Haingo Hardy 87
Rendement total : le plancher à hourdis est réalisée en 3 jours et demi.
°Si le plancher était en dalle pleine:
-Coffrage:
Nous savons par expérience que le rendement normal de 2,5m²/jour pour effectuer cette
tache est d'employer 1 manoeuvre et1 charpentier. Ainsi, en mobilisant 3 charpentiers et 3
aide- manoeuvres, on peut réaliser le coffrage en 2 jours et demi y compris les étayages du
plancher.
-Ferraillage:
Comme les armatures nécessaires ont déjà été façonnées en une demi-journée parallèlement
au coffrage et que le rendement normal de 6m²/jour pour effectuer cette tache est d'employer 1
manoeuvre et1 ferrailleur. Ainsi, en mobilisant 4 ferrailleurs et 4manoeuvres, le ferraillage du
plancher est réalisé en une journée.
-Bétonnage:
Le volume total de béton du plancher est de: V=2,74m3.Normalement, 10 manoeuvres et 3
maçons arrivent à couler de béton par jour. Afin d'éviter les arrêts de bétonnage, on mobilise
pour ce cas 14 manoeuvres permettant ainsi de réaliser le plancher en une journée.
Rendement total : le plancher en dalle pleine est réalisée en 4 jours et demi au
minimum.
ii) légèreté du plancher:
La légèreté d'un plancher est un facteur essentiel dans le domaine de la construction. Car le
plancher influe sur toute l'ossature du bâtiment (poutres, poteaux, fondations).Ainsi, un plancher
lourd implique beaucoup de dépenses. Reprenons les cas sus-cités:
° Le plancher est effectivement à corps creux:
Le poids propre du plancher (hourdis+nervure+plafond) est donné par 0,325 t/m²
D’où le poids total du plancher P=0,325. (19,58)=6,364 t
RANOARISON Haingo Hardy 88
°Si le plancher était en dalle pleine:
La masse volumique du béton armé est de 2,5 t/m3.Le plancher a une épaisseur de 14 cm d'où le
volume de béton armé est de: V=2,7412 m3;
Le poids du B.A: 2,5. (2,7412)= 6,853 t
Le poids du plafond: 0,044. (19,58)= 0,862 t
D’où le poids total du plancher: P= 7,715 t
Le plancher à corps creux est plus léger que celui en dalle pleine en prenant le poids
des revêtements égal partout ailleurs.
iii) isolation thermique:
La résistance thermique représente une valeur donnée aux matériaux de construction en
fonction de leur capacité à s'opposer aux échanges de chaleur. Donc plus un matériau a une
bonne résistance thermique, plus il a un bon pouvoir isolant.
Les matériaux ayant la meilleure résistance thermique sont ceux qui présentent une
discontinuité dans leur structure ou qui renferment de l'air tels que le béton cellulaire, le béton
d'argile expansé, les briques creuses et hourdis.
En revanche, la pierre et le béton plein ont une très faible résistance thermique; C’est la
raison pour laquelle il est nécessaire de les doubler d'un isolant.
Le coefficient de conductivité thermique λ est considéré comme la principale
caractéristique thermique d’un matériau. Plus ce coefficient est élevé, et plus le matériau est un
mauvais isolant thermique.
En effet, la résistance thermique du BA est de 0,093 m². °C /W et celle de l’ hourdis est
de 0,28 m². °C/W
La conductivité thermique du BA étant de 1.5 W/m. °C et celle de l’ hourdis de 15
(équivalent à celle d’un entrevous de 16) est de 0,54 W/m. °C.
Le plancher à corps creux est un meilleur isolant thermique que celui en dalle
pleine.
RANOARISON Haingo Hardy 89
iv) Isolation acoustique :
L’isolement acoustique entre deux locaux dépend non seulement de la paroi de
séparation, origine de la transmission directe, mais aussi des parois latérales taxées de
transmission indirectes ou latérales et de défauts localisés, tels que des manques d’étanchéité au
droit des passages de canalisations, des gaines aux quels, on reproche les transmissions parasites.
Néanmoins, la transmission directe est un facteur important, et afin de connaître la
performance acoustique de la paroi séparative seule, il faut supprimer les transmissions indirectes
dues aux parois latérales et s’affranchir de l’influence des caractéristiques acoustiques du local
réception.
L’indice d’affaiblissement acoustique est la caractéristique d’isolation d’une paroi.
Pratiquement, elle ne peut être mesuré qu’en laboratoire. Le terme « isolement », lui, est réservé
au cas de la transmission de bruit entre deux locaux sans caractéristiques particulières, séparés
par une paroi de surface quelconque. On parle d’indice d’affaiblissement acoustique d’une paroi
et d’isolement acoustique entre deux locaux.
¤ Isolement contre les bruits aériens :
Le meilleur principe consiste à employer des planchers doubles, c’est-à-dire dont
le plafond et les parois sont complètement indépendantes.
Dans les cas où cette disposition n’est pas possible à réaliser, on obtient avec une
précision le pouvoir isolant d’un plancher en calculant le poids total par m² et se reportant à la loi
de la densité.
Les résultats sont valables en première approximation quelle que soit la
constitution des planchers à condition toutefois que la répartition du poids soit suffisamment
régulière.
Dans le cas où un plancher comporterait des parties portantes d’un poids élevé
(poutre ou solive par exemple), il ne faudra prendre en compte comme chiffre représentant le
poids du m² que celui de la paroi proprement dite (hourdis par exemple).
RANOARISON Haingo Hardy 90
¤ Calcul des indices d’affaiblissement des deux types de planchers :
L’indice d’affaiblissement R d’un plancher est donné par :
R=40 log m – 46 en dB (A) où m : sa masse surfacique en kg /m²
Or, plus R est élevé, plus le plancher est isolant aux bruits aériens (bruits rose et
routier).
• Plancher en dalle pleine de 14 cm : m = 350 kg/m² => R= 55,76 dB (A)
• Plancher à corps creux :
* Paroi en hourdis :
m=90 kg/m² => R1= 32 ,170 dB (A)
* Table de compression de 5cm :
m=125 kg/m² => R2=37,876 dB (A)
Donc, l’indice d’affaiblissement du plancher est de R=R1+R2
R=70,05 dB (A)
Le plancher à corps creux est un meilleur isolant phonique que celui en dalle pleine.
RANOARISON Haingo Hardy 91
c. Etude économique :
• Le plancher est en corps creux et occupe une surface de 19, 58 m² Volume de béton : 1,69m3
Désignations Unité Quantité P.U Matériels Matériaux M.O Montant total
1. Coffrage
Matériels
-outillages fft 1 11 000 11 000 11 000
Matériaux
planche de 4m U 26 1 400 36 400 36 400
Bois rond de4m U 90 1 000 90 000 90 000
Pointe TP kg 15 3 000 45 000 45 000
Mains d’œuvre
O.S h/j 5 5 000 22 500 22 500
M.O h/j 5 3 000 13 500 13 500
Sous total 1 218 400
2. Mise en file des hourdis
Matériaux
Hourdis U 185 660 122 100 122 100
Mains d’œuvre
M.O h/j 1 3 000 3 000 3 000
Sous total 2 125 100
3. Ferraillage
Matériels
pinces fft 6 3 000 18 000 18 000
Matériaux
Fer rond k/g 125 2 400 300 744 300 744
Fil recuit k/g 5 3 600 18 000 18 000
Mains d’œuvre
O.S h/j 6 5 000 30 000 30 000
M.O h/j 2 3 000 6 000 6 000
Sous total 3 372 744
4 .Bétonnage
Matériels
pelles U 4 4 000 16 000 16 000
sceau U 5 2 000 10 000 10 000
Matériaux
Ciments sac 12 17 000 204 000 204 000
sable m3 0,761 9 200 7 001 7 001
gravillons m3 1,437 34 400 49 433 49 433
eau m3 0,287 195 56 56
Mains d'œuvre
RANOARISON Haingo Hardy 92
O.S h/j 2 5 000 10 000 10 000
M.O h/j 10 3 000 30 000 30 000
Sous total 4 326 490
TOTAL 1 042 734
cœfficient des déboursés K= 1,35 PTOTAL= 1 407 691 Ariary
Total arrêté à la somme de 1 407 700 Ariary ou 7 038 500 fmg
• Le plancher est supposé en dalle pleine Surface : 19,58m²
Volume de béton : 2,74m²
Désignations Unité Quantité P.U Matériels Matériaux M.O Montant total
1. Coffrage
Matériels
-outillages fft 1 11 000 11 000 11 000
Matériaux
planche de 4m U 48 1 400 67 200 67 200
Bois rond de4m U 90 1 000 90 000 90 000
Pointe TP kg 18 3 000 54 000 54 000
Mains d’œuvre
O.S h/j 7,5 5 000 37 500 37 500
M.O h/j 7,5 3 000 22 500 22 500
Sous total 1 282 200
2. Ferraillage
Matériels
pinces fft 6 3 000 18 000 18 000
Matériaux
Fer rond k/g 137 2 400 328 800 328 800
Fil recuit k/g 5 3 600 18 000 18 000
Mains d’œuvre
O.S h/j 8 5 000 40 000 40 000
M.O h/j 4 3 000 12 000 12 000
Sous total 2 416 800
3 .Bétonnage
Matériels
pelles U 6 4 000 24 000 24 000
sceau U 5 2 000 10 000 10 000
Matériaux
Ciments sac 19 17 000 323 000 323 000
sable m3 1,233 9 200 11 344 11 344
RANOARISON Haingo Hardy 93
gravillons m3 2,329 34 400 80 118 80 118
eau m3 0,466 195 91 91
Mains d'œuvre
O.S h/j 2 5 000 10 000 10 000
M.O h/j 14 3 000 42 000 42 000
Sous total 3 500 553
TOTAL 1 199 553
cœfficient des déboursés K= 1,35 P TOTAL= 1 619 397 Ariary
Total arrêté à la somme de 1 619 397 Ariary ou 8 097 000 fmg
Le type de plancher à corps creux est plus économique par rapport au type dalle
pleine, et cela sans les conséquences affectées par la lourdeur du plancher sur les autres
éléments de la construction.
RANOARISON Haingo Hardy 94
2. Briques cuites
a. Généralités
Les briques cuites sont des matériaux appartenant à la famille des terres cuites, tenant un
rôle non négligeable dans la construction de bâtiment pour lutter contre les intempéries (le froid,
la chaleur, la pluie, …), les bruits extérieurs et les assaillants d’une image à une ville.
Par conséquence, ces matériaux de construction doivent remplir les conditions nécessaires
suivantes :
- bonne résistance mécanique ;
- bonne résistance à l’eau de pluie ;
- disponible en abondance sur place ;
- facile à produire ;
- à moindre coût ;
Parmi les matériaux en terres cuites, l’argile est choisie comme matière première de base
pour la production des briques cuites du fait qu’elle possède les caractéristiques suivantes :
- elle est facile à modéliser à des différentes formes voulues, grâce à son état plastique.
- après avoir subi un traitement thermique aux environs de 800 °C, le modèle se durcit
et devient résistant à l’eau sans redevenir argile à son état initial.
En conclusion, pour avoir une donne brique, il faut à priori savoir et choisir les matières
adéquates.
b. Les matières premières :
Avant toute opération de production, les briquetiers sont obligés à connaître, identifier et
faire des essais préalables pour choisir les matières premières adéquates si l’on veut produire des
briques convenables, normalisées et susceptibles d’imposer ses applications.
En général, les matières premières nécessaires pour la production des briques cuites sont
les suivantes :
- les argiles ;
- le dégraissant (au cas où l’argile est très plastique à plastique) ;
- l’eau ;
- le combustible.
RANOARISON Haingo Hardy 95
c. Propriétés
i) Dégraissant :
Ce sont des matériaux inertes, utilisés dans la fabrication des briques pour la correction
minéralogique dans le cas des argiles très plastiques
La partie située au-dessus de ces argiles de Mandray contient un dégraissant très efficace
appelé lohatany. Ce dernier est constitué de matériaux inertes.
De plus, on peut aussi utiliser les dégraissants tels que la latérite et le sable.
ii) Eau :
L’eau joue un rôle essentiel dans la fabrication de briques car elle rend l’argile à son état
plastique pour donner la forme aux briques crues.
iii) Combustible :
Il sert à cuire les briques crues en leur offrant les principales propriétés des argiles
cuites. On peut utiliser :
- le bois de chauffe.
- le déchet agricole.
- de charbon naturel.
- le fuel.
d. Processus et matériaux de production
Les expériences ont montré que la plupart des briques utilisées sont de mauvaise qualité.
Ceci est due essentiellement au manque de connaissance , au mauvais choix des matières
premières et aussi au non maîtrise du processus de production en commençant à
l’approvisionnement des matières premières jusqu’à la cuisson.
RANOARISON Haingo Hardy 96
3. Pigments
a. Généralités
On appelle pigments des substances colorées minérales ou organiques finement
dispersées, non solubles ou peu solubles dans l’eau et dans des solvants organiques ; des
poudres métalliques sont aussi utilisées en qualité de pigments. Chaque pigment possède sa
propre couleur.
Les pigments ont pour but de donner aux compositions des peintures l’opacité, de
meilleures qualités mécaniques et une longue durée d’exploitation.
b. Propriétés :
- Le pouvoir couvrant qui est caractérisé par la consommation du pigment par 1m² de la
surface à peindre ;
- Le pouvoir colorant qui est caractérisé par la propriété du pigment de communiquer sa
couleur en composition avec des pigments blancs, noirs et bleus ;
- La finesse qui influe fortement sur le pouvoir couvrant et le pouvoir colorant. Plus la
finesse est grande, plus le pouvoir colorant et le pouvoir couvrant croissent ;
- La stabilité et la lumière : cette résistance à la lumière qualifie la capacité du pigment à
conserver sa couleur sous m’action de la lumière ;
- La stabilité au feu : c’est la capacité de supporter l’action des hautes températures sans
destruction ni changement de couleur (sauf pour les pigments organiques) ;
- La stabilité aux actions chimiques qui est la capacité de certains pigments de conserver
sa couleur sous l’action d’alcalis ;
- La stabilité aux intempéries : c’est la capacité des pigments de résister à l’action
commune de l’humidité, de l’acide carbonique et d’autres agents du milieu extérieur.
c. Cas de Mandray
L’ocre jaune sèche, argile avec la teneur en oxyde de fer de plus de 15% est employée
dans les peintures à la colle et à la chaux et dans les mortiers colorés. Elle appartient au groupe de
pigments minéraux naturels.
97
Nous avons identifié visuellement les différents types d'argiles de Mandray. La coupe
générale du sol montre, en surface, un recouvrement argileux assez épais des argiles jaunes ou
grises d'une épaisseur variable en moyenne un mètre. Au-dessous vient parfois mais non
toujours, un horizon de tourbe sous lequel un horizon d'argiles blanches.
Ensuite, nous avons mené des études expérimentales en laboratoires. Les résultats obtenus
montrent plusieurs aspects. Concernant l'étude géotechnique, on peut citer que la teneur en eau
dépend essentiellement de l'hydrologie du terrain, que les analyses granulométriques et
sédimentométriques montrent la présence d'argiles sur sol entier. Ces argiles sont consistantes,
inactive à normales, raide à moyennes telles que la teneur en matières organiques est très faible.
L'analyse chimique montre des résultats sur la teneur en éléments de ces argiles qui présentent
donc une teneur en Oxyde de fer élevée. Les études thermiques sont essentielles à titre de
recoupement aux résultats précédents.
Ces études en laboratoires mettent en évidence des argiles kaolinites modifiées par endroit
en argiles halloysitiques ou illitiques selon leurs histoires. La présence d'interstratification
kaolinite-illite est constatée.
Enfin, ces argiles de Mandray offrent des intérêts économiques pour Madagascar :
- Premièrement, ces argiles dont la teneur en Oxyde de fer dépassant 15 %, peuvent
intervenir comme pigments minéraux naturels en tant qu'ocres et trouvent leur utilité dans les
mortiers colorés et dans les peintures à colle et à la chaux pour donner aux compositions des
peintures l'opacité, des meilleures qualités mécaniques et une longue durée d'exploitation ;
- Deuxièmement, les exploitations artisanales de ces argiles en tant que matériaux pour
briques peuvent se développer largement grâce à cette présente étude. En effet, l'étude complète
du phénomène de retrait de ces argiles améliore la qualité des briques obtenues selon la norme
appliquée. Nous nous proposons d'autre part afin de sauvegarder l'environnement d'utiliser
l'horizon de tourbe pour la cuisson des briques ;
- Troisièmement, ces argiles de Mandray trouvent leur utilité pour créer une industrie
cimentière dans la région d'Antsirabe. En effet, les argiles d'Antsirabe ont une faible teneur en fer
et on peut palier cette fois dernière en utilisant les argiles de Mandray qui remanieraient le
contenu de la pierre calcaire après mélange de façon à donner une pulpe qui, calcinée,
deviendrait un clinker ayant les caractéristiques nécessaires pour la fabrication locale de ciment.
CCCOOONNNCCCLLLUUUSSSIIIOOONNN
1. ALEXEEV. V (1980) Analyse qualitative. Edition Mir Moscou.
2. ANDRIAMIARISOA. A. (1986) Projet de rationalisation de l’exploitation de kaolin
d’Ibity, mémoire d’ingénieur, E.S.P.A, département Mines, Université d’Antananarivo.
3. BARON. A. (1969) Application de la spectrométrie infrarouge à l’étude des argiles et
ciments hydratés L.C.P.C. Rapport de recherche n° : 2.
4. BEAUCHAMP. J. (Version du 18/11/2001) Pédologie. Les argiles. Université de
Picardie Jules Verne. France.
5. BESAIRIE. H. et NOIZET. G. (1961) Premier inventaire des matières premiers pour
céramique à Madagascar. Documentation du bureau géologique n°: 156.
6. BROWN. G. (1961) The X ray identification and crystal structures of minerals.
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7. CAILLERE. S., ORGEL. J. et HENIN. S. (1956) Sur la présence d’anauxite en France.
Bulletin Société Française de la Minéralogie et de la Cristallographie LXXIV p.435-440.
8. CAILLERE. S., HENIN. S. et RAUTUREAU. M. (1963) Les argiles .Edition SEPTIMA.
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9. CHARLOT. G. (1961) Analyse quantitative minérale.
10. DERIBERE. M. et ESMEA (1951) La Bentonite, les argiles colloïdales et leur emploi.
Dunod.
11. GUINIER. A. (1956) Théorie et technique de la radiocristallographie. Dunod.
12. HOLTZAPFFEL. T (1985). Les minéraux argileux. Préparation. Analyse
diffractométrique et détermination S.G.N.
13. LIVET. M. (1988) Sols argileux, Paris ISTED, mémoire de synthèse 31p.
14. MERIN. G. J. (1964) Gonflement, dispersion et hydratation des argiles.
15. RAKOTONIAINA. H. Contribution à la recherche des matérielles premières
argileuses pour la fabrication des briques, Mémoire filière mines / E.S.P.A.
Université d’Antananarivo.
16. RAKOTOMARIA. E. (2000) Compléments sur la Structure et les propriétés des
Matériaux , Département Sciences des matériaux et métallurgie E.S.P.A. Université
d’Antananarivo.
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17. RALAIMIDONA. A. (1992) Condition à l’identification et à la valorisation de la
montmorillonite d’Ampasifotsy, Mémoire d’ingénieur, filière mines / E.S.P.A.
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18. RANDRIANJA. R. (2000) Cours d’argiles et techniques modernes. Département
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19. RAPPORT DU L.N.T.P.B. "Essai de gonflement. Mise au plan mode opératoire,
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20. RAZAFIMANDIMBY née Raharivao ANJARAMALALA (1978) Contribution à
l’étude de quelques échantillons d’argile d’intérêt économique Malagasy, Thèse de
Doctorat de Troisième Cycle en Chimie minérale, Université d’Antananarivo.
21. ROWELL. D L. (1994) Soils Sciences Methods and Applications Longman.
22. SHERMAN. M. D. (1997) Bounding and structures of ionic compounds. Lattices and
crystallographic systems. Symmetry element and Point groups. University of Bristol.
23. WIEDMANN. T. (1977) Rapport sur la possibilités d’implantation d’une fabrication
des produits céramiques à partir des gisements de kaolin et d’autres matières
premières à Madagascar.
ANNEXE A : COMPLEMENT SUR LES ARGILES.
ANNEXE B : ETUDE GEOTECHNIQUE DU SOL.
ANNEXE C : ANALYSE CHIMIQUE DES ARGILES.
ANNEXE D : DIFFRACTOMETRIE AUX RAYONS X.
ANNEXE E : ANALYSES THERMIQUES.
AAANNNNNNEEEXXXEEESSS
Annexe A : Complément sur les argiles
ANNEXE A : COMPLEMENT SUR LES ARGILES
A1. Les silicates
Ils représentent en masse le 97% de l’écorce terrestre. On les classe en cinq types
d’architectures fondés sur la distribution des tétraèdres SiO4- :
les silicates à tétraèdres indépendants : les néosilicates (orthosilicates) ;
les silicates à groupes finis de tétraèdres : les sorosilicates
les silicates en chaînes : les isosilicates ;
les silicates lamellaires ou phyllosilicates ;
les silicates à charpente tridimensionnelles.
A2. Formes des hybridations courantes
Nous retenons :
A3. Distance entre les centres des atomes dans la liaison covalente et énergie
correspondante
H-H 0.075 nm 435 kJ/mol
O-H 0.095 nm 460 kJ/mol
O-O 0.132 nm 138 kJ/mol
O-Si 0.162 nm 377 kJ/mol
Si-Si 0.235 nm 178 kJ/mol
B
B
B A
B
sp3 et d3s tétraédrique
B
B
B A
B
Sp3d2 ou d2sp3 octaédrique
Annexe A : Complément sur les argiles
A4. La liaison ionique
C’est la nature de la liaison covalente très polaire entre deux atomes d’électroactivité
différente :
Cation anion
Al3+ : 0.057
Mg2+ : 0.066
Si4+ : 0.042
Fe3+ : 0.064
O2- : 0.132
Rayons ioniques en nm
A5. Arrangement d’atomes de dimensions inégales liés non directionnellement
Les valeurs de coordinence possible dans un phyllosilicate sont 4 et 6 et dépendent
évidement du rapport rr
a
c des rayons, rc – rayon des cations et ra – rayon des anions en présence
Coordinence Domaine du rapport
rr
a
c
permettant une liaison stable
Arrangement
4 0.225 – 0.414 tétraédrique
6 0.414 – 0.732 octaédrique
Coordinence en fonction des rayons des ions
En effet : 319.0132.0042.0
O
Alrr
-2
3
==+
500.0132.0066.0
O
Mgl
rr
-2
3
==+
et 431.0132.0057.0
O
Alrr
-2
3
==+
Polyèdre de coordination
Polyèdre de coordination
4
6
Annexe A : Complément sur les argiles
A6. Liaisons hydrogène et de Van der Waals.
Ces liaisons sont fondées sur des interactions dipolaires dont les énergies de liaisons sont
faibles de l’ordre de quelques kilojoules par mole.
A7. Les silicates lamellaires ou phyllosilicates
Chaque tétraèdre partage avec trois tétraèdres voisins trois de ces ions oxygènes. Les
chaînes doubles des tétraèdres SiO -44 peuvent s’associer pour former des réseaux plans. Tous les
tétraèdres de silice formant cette couche ont une face dans un même plan et leurs sommets libres
d’un même coté de ce plan.
La cohésion entre deux couches de tétraèdres SiO -44 dont les sommets libres se font face est
due à la présence de cations qui assurent aussi la neutralité du cristal. La seule coordinence
possible étant 6. Ce sont les plus souvent des ions Al3+ ou Mg2+ qui assurent la liaison entre les
couches et, par conséquent, la cohésion du feuillet. Entre les feuillets s’établissent en général des
liaisons beaucoup plus faibles ; liaisons hydrogène et de vander waals qui procurent à ces
composés des propriétés physico-chimiques et mécaniques particulières. Ce sont des corps
lamellaires à clivage facile.
A8. Phyllosilicates alumineux et magnésiens de 7 Ǻ
Ils sont constitués d’une couche de tétraèdre de silice et une couche d’octaèdre d’alumine et de
magnésie : les centres des octaèdres sont occupés par Al3+ ou Mg2+ et leurs sommets le sont :
soit par des hydroxyles ;
soit par des ions oxygènes communs avec les tétraèdres de SiO -44 ;
A9. Phyllosilicates de 10 Ǻ et de 14 Ǻ
Les Phyllosilicates d e10 Ǻ sont obtenus en complétant le feuillet de A 8 par une couche
de tétraèdres de silice. La couche d’octaèdre est donc prise en sandwich entre deux couches de
tétraèdres.
Tandis qu’en additionnant une couche supplémentaires d’octaèdres de Al(OH)3 ou
Mg(OH)2, on est amené aux phyllosilicates de 14 Ǻ.
Annexe A : Complément sur les argiles
A10. Le réseau réciproque
h. Définition
Si l’on porte les trois vecteurs a *, b *, c * à partir d’un point quelconque le réseau de point
bâti sur ces trois vecteurs est le réseau réciproque du réseau donné. A tout nœud de ce réseau
correspond la face du réseau directe qui lui est opposée.
i. Intérêt du réseau réciproque
Cet intérêt vient de ce que tout vecteur r*hkl
joignant l’origine de ce réseau à l’un de ses nœuds de
coordonnées ha*, kb* et lc* et qui est donc définit par :
*cl*bk*ah*rhkl++= (h,k,l étant des entiers simples)
est normal au plan réticulaire (hkl) du réseau primitif et que sa longueur est l’inverse de la
distance interréticulaire dhkl.
Un réseau simple est de maille
élémentaire définie par les trois axes
arbitraires a , b et c on va représenter un
des plans de la famille de ceux qui sont
parallèles à b et c plans (100) par un
vecteur a * normal à ces plans et de
longueur inversement proportionnel à leur
écartement ;
Oa1=d100
Oa1=proj(100) a
O
a
y
cc*
a* b* b1
1a
c1
x
b
Définition du réseau réciproque
Annexe A : Complément sur les argiles
De plus ( ) 1ha*cl*bk*ahOPOH drrr hkl
*
hkl
*
hkl
*
hkl=•++=⋅=•=•
Ainsi : dr
hklhkl
1*=
A11. Les minéraux argileux simples
1. Groupe de la kaolinite
- Kaolinite : (OH)4Al2Si2O5
- Dickite et nacrite : rares et liés aux gîtes hydrothermaux. Ils ont un composition chimique
identique à celle de la Kaolinite. Ils se différencient par la structure de
leur réseau. La dickite est monoclinique et la nacrite est monoclinique
presque orthorhombique avec un angle β=90°20′±10′.
- Halloysite : Formée de feuillets de Kaolinite séparés par des couches d’eaux. Elle présente
l’aspect tubulaire dû à l’enroulement des feuillets. Si elle est déshydratée, on
l’appelle métahalloysite. Les gisements sont hydrothermaux et parfois
sédimentaires.
-
Le plan (hkl) voisin de O passe par H,K,L
avec H(ha ,0,0), K(0,
kb ,0) et L(0,0,
lc )
Comme
( )( )
011
ha
kb*cl*bk*ah
OHOK*HK* rr hklhkl
=−=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−•++=
−•=•
et que 0KLr*
hkl=•
alors ( )HKLr*
hkl⊥ d’une part et d’autre part
L
K
H
Obk
ah
lc
Z
Y
X
r*
c
hkl
Représentation du réseau réciproque
Annexe A : Complément sur les argiles
- Fire clay minerals : ce sont de la kaolinite désordonnée c’est à dire que les feuillets empilés
sont déplacés les uns par rapport aux autres dans leur plan.
- Les serpentines : (OH)4Mg3Si2O5
vis-à-vis de la kaolinite il y a remplacement de 2 Al par 3Mg dans la couche octaédrique.
C’est donc l’homéotype trioctaédrique magnésien de la kaolinite.
2. Groupe des micas
Micas :
Muscovite :
Paragonite :
Phlogopite :
Biotite :
Pyrophyllite et Talc : rares et se trouvant dans les sédiments. Il n’est pas d’alcalis entre les
couches
• Pyrophyllite : (OH)2Al2Si4O10
• Talc : (OH)2Mg3Si4O10
Illites : sa structure est voisines de celle des micas avec remplacement partiel des ions Al
octaédriques par des ions Mg, Fe2+ et Fe3+
• Illites : Tel que 0.5 < x < 0.75
• Glauconite et Glauconies :
Avec 0.5 < x < 1
(OH)2Al2Si3AlO10
K
(OH)2Al2Si3AlO10
Na
(OH)2Mg3Si3AlO10
K
(OH)2Mg,Fe2+Si3AlO10
K
(OH)2Al2Si4-xAlx
Kx
(OH)2(Fe3+,Al,Fe2+, Mg)2(Si4-xAlx)O10
Kx
Annexe A : Complément sur les argiles
3. Groupe de la montmorillonite
Série dioctaédrique « Montmorillonite-beidellite » :
Série dioctaédrique « Nontronite-beidellite » :
Série trioctaédrique « Stevensite-saponite » :
Stevensite :
Saponite :
4. Groupe des chlorites
Ces minéraux sont de couleur verte et riches en fer ferreux.
les chlorites vraies : en couches alternées de mica trioctaédrique
les chlorites gonflantes : sous l’action des polyalcools, elles gonflent mais elles sont
stables vis-à-vis de la chaleur.
les chlorites dioctaédriques :
5. Groupe de vermiculites
C’est un minéral à l’allure de vermicules quand on le chauffe. Sa formule structurale est :
(OH)2(Al1.67,Mg0.33)Si4O10
Na0,33
(OH)2(Fe3+ Al0.39)(Si3.67Al0.33)O10 1.61
K0,33
(OH)2Mg2.92(Si4O10)
Na0,16
(OH)2Mg3(Si3.67Al0.33)O10
Na0.33
(OH)2(Mg3-y, Aly)(Si4-xAlx)O10
(Mg3-z, Alz)(OH)6
(OH)2(Al2-y, Mgy)(Si4-xAlx)O10
(Mg3-z, Alz)(OH)6
(OH)2(Mg, Fe)3(Si4-xAlx)O10
Ca) Mg,(2x
Annexe A : Complément sur les argiles
6. Groupe des attapulgites, sépiolites :
- Attapulgites
C’est un minéral qui prend à l’affleurement un aspect feuilleté ou papyracé. Sa formule
structurale est :
Avec une possibilité de remplacement du Mg par Al
- Sépiolites
Sa formule structurale est :
A12. Les minéraux argileux interstratifiés
1. Définition
Ce sont des minéraux argileux qui présentent une alternance de feuillets de nature
différente. Ils sont aussi appelés mixed layer clay minerals.
2. Types d’interstratification :
Régulier : ABABA…
Irrégulier : l’interstratification est aléatoire. Ainsi aucune loi ne régit l’alternance.
Avec segmentation de paquets alternants, eux-mêmes parfois interstratifiés
3. Principaux interstratifiés :
Dans les sols et les sédiments, la majorité des feuillets appartiennent aux quatre types
suivants : illite, montmorillonite, vermiculite, chlorite. Ces derniers peuvent s’interstratifier
simultanément mais les interstratifications à deus types de feuillets sont plus fréquentes à savoir :
Illite-montmorillonite (I-M), Illite-vermiculite (I-V), Illite-chlorite (I-C), Montmorillonite-
vermiculite (M-V), Montmorillonite-chlorite (M-C), Vermiculite-chlorite (V-C).
Par exemple : - Bravaisite : Interstratifié (I-M)
- Corrensite : Interstratifié Chlorite-montmorillonite (C-M)
- Rectorite : Interstratifié régulier vermiculite-pyrophyllite
(OH2)4(OH)2Mg5Si8O204H2O
(OH2)4(OH)6Mg9Si12O306H2O
Annexe B : Etude géotechnique du sol
ANNEXE B : ETUDE GEOTECHNIQUE DU SOL
B1. Eléments constitutifs du sol :
Considérons un sol de volume V et de poids P formé des vides et des particules solides
La loi de conservation du permet d’écrire que :
- son volume est V = Vv + Vs = Va + Ve + Vs
- son poids est P = Pv + Ps = Pa + Pe + Ps = Pe + Ps
B2. Caractéristiques physiques du sol
1. Le poids spécifique γs
c. Définition
C’est une caractéristique plus ou moins invariable pour un sol donné et il est égal au
rapport du poids Ps des particules solides au volumes Vs occupé par ces particules V
s
ss
P=γ
d. Principe de détermination
Le poids spécifique est déterminé par la méthode picnométrique suivante :
- Peser le picno = P1 = V1
- Mettre de l’eau dans le picno : P2 , V2 = P2 - P1
- Peser {picno + échantillon} : P3 , Ps = P3 - P1 (étuvage de l’échantillon pendant 24h à
105°C)
- Peser {picno + échantillon +eau} : P4 , P4 - P3 = Veau ajoutée
- Volume de l’échantillon Vs = V1 - Veau ajoutée
V,P
de
Va , Pa = 0
Ve , Pe eau Vides Vv ,
Vs , Ps particules
Annexe B : Etude géotechnique du sol
- Poids spécifique : VP
s
ss =γ
2. Les poids volumiques humide γh et sec γd
i. Définition
On appelle poids volumique humide γh le rapport du poids total P du sol au volume total
V de celui-ci. C’est donc le poids d’une unité de volume de sol
VP =γ h
On appelle poids volumique sec γd le rapport du poids des particules solides Ps au volume
total V du sol
VP s=γ d
ii. Principe de détermination
γh et γd sont déterminés par la méthode pesée hydrostatique suivante :
- Peser l’échantillon P = P1
- Peser l’échantillon enveloppé par paraffine P2
- Poids de la paraffine P3 = P2 - P1
- Volume de la paraffine 0.89P V 3
p =
- Peser l’échantillon paraffiné dans l’eau P4
- Volume de l’échantillon paraffiné V2 = P2 - P4
- Volume de l’échantillon V = V2 - Vp
Poids volumique humide : VP 1=γ h
Poids volumique sec : VP s=γ d
iii. Etat du sol en fonction de γd
Lâche dense Trèsdense γd (g/cm3) 1.6 1.8
Annexe B : Etude géotechnique du sol
3. La porosité n et l’indice de vide e
La porosité n du sol est le rapport du volume des vides Vv au volume V du sol :
[%] 100 VV n v ⋅=
On définit parfois la compacité Γ comme étant la quantité 1-n = Γ
L’indice de vide e est le rapport du volume des vides Vv au volume Vs des particules
solides :
[%] 100 VV e
s
v ⋅=
4. La teneur en eau W et le degré de saturation Sr
i. Définitions
La teneur en eau W est le rapport du poids Pe de l’eau contenue dans le sol au poids Ps des
particules de ce sol :
[%] 100 PP W
s
e ⋅=
Le degré de saturation Sr est le rapport du volume Ve de l’eau contenue dans le sol au
volume des vides Vv :
VV S
v
er =
ii. Signification physique de Sr
Le degré de saturation Sr indique ainsi la quantité d’eau que contient le sol
Sr = 0 : sol sec
Sr = 1 : sol saturé d’eau
5. Poids volumique déjaugé γ´h
Si le sol est saturé sauf être immergé, tous les vides sont remplis d’eau, alors le poids
volumique humide est donnée par :
e1e . γ γ
VP γ wssat
h +
+==
Annexe B : Etude géotechnique du sol
où γw = t/m3 est le poids volumique de l’eau.
Si le sol est immergé, baigné dans l’eau, chaque particule solide est soumise à la poussée
d’Archimède, ainsi l’effet du sol sera caractérisé par son poids volumique déjaugé γ´h défini
comme étant le rapport du poids des particules solides soumises à la poussée d’Archimède au
volume total occupé par le sol
γ e1γ γ
VP γ w
sath
ws's'
h -γ===+
−
B3. Identification des sols
1. Analyse granulométrique
Les dimensions des particules solides du sol varient de 10Å à 1000mm.
i. Classification Suédois Atterberg
ii. Nature de la granulométrie du sol
Pour y répondre, on fait appel au coefficient de Hazen représenté par le nombre k, qui est
défini comme étant le rapport de deux diamètres d60 et d10 des trous à travers lesquels passent
respectivement 60% et 10% du tamisât
dd k
10
60=
iii. Définition
L’analyse granulométrique consiste à faire passer un échantillon de sol à travers une série
de tamis ou passoire de dimension trop variée et dont chacun relie des éléments d’une grosseur
donnée appelés reliquats.
Ultra argile Argile Limon Sable fin Sable gros Gravier Caillou Enrochement
d0.4 μ 2 μ 0.02 mm 0.2 mm 2 mm 20 mm 200 mm
Granulométrie uniforme
Le sol contient des éléments à
peu près de même dimension
2 Granulométrie étalée
Le sol contient des éléments
de dimension variée
k
Annexe B : Etude géotechnique du sol
iv. Principe de détermination
La masse M en g, prise initiale, est dans la gamme de 3Dmax < M < 5Dmax où Dmax est la
dimension maximale du sol en mm.
Généralement, on utilise la fourchette 600g < M < 1000g. Chaque reliquat sur chaque
tamis sera pesé et rapporté au poids initial de l’échantillon étudié
100[%] Mm Α ir
i = à 0.1 % près
où mri est le poids du sol retenu sur le iième tamis.
On construit une courbe granulometrique sur laquelle on porte en abscisse les dimensions
des trous des tamis suivant une échelle logarithmique et en ordonnée le pourcentage en poids des
éléments passant à travers la jième tamis.
80μ
reliquat (refus)
tamisat (passant)
couvercle
Fond du tamis
Prise M
échantillon
j
100
∑i
iA
∑=i
ij A - 100 B
Bj %
d (μ)
Annexe B : Etude géotechnique du sol
2. Plasticité d’un sol
i. Les différents états d’un sol
Alors que le sable se présente sous l’aspect de poudre sans cohérence même en présence
d’eau entre les grains d’où leur nom d’un sol pulvérulent, les argiles forment des pâtes à partir
d’une certaine valeur de la teneur en eau W déterminant leur possibilité d’acquérir de solidité
c’est à dire leur consistance.
On distingue donc trois états de consistance des sols argileux :
Etat liquide : argile complètement détrempée ; les grains sont indépendants les uns des autres
séparés par les couches d’eau, leurs mouvements relatifs sont aisés.
Etat plastique : argile semblable à une pâte à modeler ; les grains se sont rapprochés et ont
mis en commun leur couches absorbées.
Etat solide : argile desséchée, les grains sont encore plus près les uns des autres ; les
frottements internes entre les deux grains sont importants.
eau absorbée
eau libre
particules solides
eau absorbée
grains
grains
Annexe B : Etude géotechnique du sol
ii. Les limites d’Atterberg
On distingue les deux limites suivantes :
WL – limite de liquidité séparant l’état liquide et l’état plastique.
WP – limite de plasticité séparant l’état plastique et l’état solide.
Pour mesurer WL, on utilise l’appareil de Casagrande tel que l’on étale dans une coupelle
un mortier d’une certaine teneur en eau. on trace une rainure au moyen d’un outil en V, on
imprime à la coupelle une série de corps semblables. Ainsi, WL est la teneur en eau pour laquelle
se forme sur une longueur de 1 cm lorsqu’on imprime à la coupelle une série de 25 coups.
WL ∼ 25 coups + 1 cm (3 à 4 essais)
Pour mesurer WP, on détermine la teneur en eau qui permet d’étaler le sol en boudin de 3
mm de diamètre, de 5 à 6 cm de long.
iii. Indice de plasticité
On définit l’indice de plasticité IP qui mesure l’étendue du domaine de plasticité du sol,
définit par IP = WL - WP et qui indique le degré de plasticité du sol.
iv. Indice de consistance de Terzagh
Il permet de déterminer les états intermédiaires des argileux dans son état plastique et est
donné par :
IW I
P
LC
w−=
état solide
état plastique
état liquide
W
Sol exempt d’argile
Sol maigre
Sol argileux
Sol trèsargileux
IP 4 10 20
IP Sol non plastique
Sol peu plastique
Sol plastique
Sol très plastique 5 15
40
Annexe B : Etude géotechnique du sol
v. Equivalence de sable
On place une certaine quantité de sol dans une éprouvette contenant de l’eau. Le tout sera
agité. On laisse ensuite les éléments sableux se décanter au fond tandis que les éléments argileux
et limoneux forment une couche de floculat.
L’équivalent de sable est donné par :
vi. Essai au bleu de méthylène
Le principe de cet essai consiste à mesurer la quantité de bleu de méthylène nécessaire
pour recouvrir les particules d’argile ; la quantité de bleu absorbée par 100g de sol dépend donc
étroitement de la surface spécifique, des grains d’argile elle-même liée à la nature de l’argile
comme le montre le tableau suivant :
Type d’argile Surface Spécifique (m²/g)
Montmorillonite 800
Vermiculite 200
Kaolinite 40-60
Fines calcaires 5-20
ou siliceuses 1-30
Sol à l’état liquide
Consistance liquide
Sol pâteux Consistance très molle
Sol mou
Consistancemolle
Sol ferme
mi-consistant
Sol très ferme
consistant
Sol dur
Très consistant
IC 0 0.25 0.50 0.75 1
h2
h1
floculat
Particules
de sables
100 h h
h ES21
1 ×+
=
ES = 100 – Sable pur
Annexe B : Etude géotechnique du sol
3. Résistance des sols
i. Essai Proctor
L’essai Proctor consiste à préparer 4 à 5 tas d’échantillons de teneurs en eau différentes l’une de
l’autre de 2 à 3%. Chaque échantillon sera compacté dans une moule en 3 à 5 couches avec une
énergie de compactage donné.
Le résultat de l’essai est traduit sur une courbe γd = γd(w) sur laquelle on détermine la densité
sèche maximale γdmax correspondant à la teneur en eau optimale Wop.
L’essai est dit Proctor normal si la dame usitée est de 2.5 kg avec une hauteur de chute de 30.5
cm. Dans ce cas, on cherche (γdmax,WOPN). L’essai est dit Proctor modifié si la dame usitée est de
4.5 kg avec une hauteur de chute de 45.5 cm. Dans ce cas, on cherche (γdmax, WOPM).
Si la courbe γd = γd(w) est aplatie à son maximum alors le sol considéré est peu sensible à l’eau
voir insensible. Dans ca cas, le sol est sableux.
Si la courbe γd = γd(w) est pointue à son maximum, alors le sol considéré est sensible à l’eau.
Dans ce cas, il est argileux.
Il est à noter que l’hyperbole de saturation qui donne la teneur en eau da saturation est donnée
par :
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
γγ s
1
d
1100Wsat
où γs désigne la densité des grains
La branche humide de γd = γd(w) conduit des problèmes de « matelassage »
branche humide
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
γγ s
1
d
1100Wsat
branche
sèche
γd
W WOPN
Essai Proctor
Annexe B : Etude géotechnique du sol
ii. Essai Californian Bearing Ratio (CBR)
Cet essai consiste à préparer une série d’échantillons compactés avec la teneur en eau optimale.
Les échantillons dans leurs moules sont mis en contact avec l’eau à leurs faces inférieures. On les
poinçonne avec un piston qui s’enfonce à vitesse constante. On trace la courbe de pression en
fonction de l’enfoncement P=P(e) sur laquelle on détermine P2.54 et P5.08, qui ont donné des
enfoncements respectifs de 2.54 mm et 5.08 du piston, lues sur comparateurs.
Par définition, l’indice portant CBR est un nombre adimensionnel donné par la plus grande des
deux valeurs
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ××=
1.105100
;3.70100
MaxCBR PP 5.082.54
où 70.3 kgf/cm² et 105.1 kgf/cm² sont des pressions qui ont donné des enfoncements respectifs
de 2.54 mm et 5.08 mm du piston.
Principe de l’essai C.B.R.
S=19.3 cm²
Comparateur
surcharge 4.53 kg
F
15.2
15.2
Moules C.B.R.
2.5
5
P(2.5) P(5) Pression (bars)
Enfoncement (mm)
Annexe C : Analyse chimique des argiles
ANNEXE C : ANALYSE CHIMIQUE DES ARGILES
C1. Méthode physico-chimique d’extraction de la fraction argileuse (<2 mμ )
La fraction inférieur à 2 mμ d’un échantillon sont des particules fines restant en suspension
dans l’eau agitée et décantent dans l’eau immobile avec une vitesse de chute très faible donnée
par la loi de Stockes
V = Cd2
Où
La constante de stockes est donnée par la formule :
C = gls )(1800
γγμ
−
Où
Diamètre d[ mμ ] Temps pour parcourir 1m (à 20°C) vitesse de chute [cm/s]
60 Quelques minutes 0.3
16 1 heure 12mn 0.02
4 19 heures
2 3 jours 5 heures
1 13 jours
0.1 1293 jours
Application de la loi de stockes à des particules sphériques.
V - vitesse de chute [cm/s] d - diamètre de la particule [ mμ ] C - constante de stockes
μ - viscosité du liquide du bain [poise]
sγ - poids volumique de la particule
lγ - poids volumique du liquide de bain g – accélération du pesanteur[cm2/s]
Annexe C : Analyse chimique des argiles
C2. La spectroscopie d’absorption atomique
Pour doser les éléments en trace, on utilise la spectroscopie d’absorption atomique. Cette
méthode consiste à mesurer l’intensité d’un rayonnement après un passage à travers une flamme
dans laquelle on a pulvérisé une solution de l’échantillon à analyser.
figure 16 : Spectroscopie d’absorption atomique des minéraux argileux
Le rayonnement initial I0 et le rayonnement I après passage de la flamme sont relié par la
densité optique telle que :
Log(II0 ) = KNhν
Où
C’est cette correspondance I=I(I0) qu’on exploite afin de doser les éléments en trace dans
les minéraux argileux.
C3. Fluorescence X
Pour doser les éléments constitutifs essentiels des minéraux argileux, on utilise la
fluorescence X. Cette méthode consiste à employer le rayonnement X caractéristique émis par un
élément provoqué par l’action des rayonnements X primaires
Fluorescence X
K - constante dépendant de l’épaisseur de la flamme h - constante de Planck N - nombre d’atomes absorbants ν - fréquence de la longueur d’onde utilisée
I 0 I
tube à RX
minéraux argileux
RX primaire
RX 2eme
analyseurcompteur
ordinateur
résultat d'analysecollimateur
Annexe C : Analyse chimique des argiles
C4. Spectrométrie infrarouge IR
Cette méthode, nouvellement employée, est introduite pour caractériser les argile di et
trioctaédriques, pour identifier les espèces dans les mélanges à plusieurs constituants, pour
distinguer quant aux formes d ‘eau.
On prépare ainsi les échantillons de manière à éviter les effets de diffusion et à minimiser
l’intensité de l’absorption parasite.
Le principe est assez simple : on broie le plus finement possible 1mg de l’échantillon afin
de le mélanger avec 300mg de KBr(bromure de potassium), élément solvant, puis par
compression, on obtiendra des pastilles. On effectue après passage du rayonnement infrarouge
sur les pastilles, la comparaison des spectres avec des références.
C5. Analyse par spectrographie d’émission dans le visible et l’ultra-violet.
Cette méthode d’analyse est basée sur l’études des spectres des raies obtenue à partir de la
lumière émise par les éléments constitutifs des minéraux excités généralement par l’action d’un
arc, d’une étincelle quelconque ou encore l’action d’une flamme.
figure 17 : Fig. spectrographie d’émission dans le visible et l’ultra-violet.
C6. Analyse par micro-sonde électronique
C’est une méthode d’analyse chimique ponctuelle qui s’adapte parfaitement à l’étude des
minéraux isolés de petite dimension et elle consiste à frapper l’échantillon en une zone d’impact
quasi-ponctuelle par un faisceau d’électrons soigneusement focalisés. Le rayonnement du
fluorescence X provoqué par les éléments excités de la zone touchée est analysé par
l’intermédiaire des cristaux qui diffractent selon la relation Braggienne.
Le faisceau d’électrons accélérés est sous des tension entre 5 et 40kV et le regain de l’état
fondamental se fait par une dissipation d’une certaine quantité d’énergie relative à l’état excité
qui se manifeste par des émissions électromagnétiques comme des rayons X ainsi que des
émissions électroniques.
éléctrode
fente
poudre à analyser
collimateurprisme
collimateur
plaque photographique
systeme informatique résultats
Annexe C : Analyse chimique des argiles
Un spectre de rayonnement X caractéristique correspond à chaque élément. Les raies détectés
sont utilisées en général dans une plage de tensions comprises entre 1 et 10kV.
Une méthode d’analyse spectrométrique se fait à l’aide d’un détecteur qui, par chaque photon X
reçu et conçu à émettre un signal électronique spécial correspondant à son énergie dont l’effectif
d’impulsions détectées est compté.
Annexe D : Diffractométrie aux rayons X
ANNEXE D : DIFFRACTOMETRIE AUX RAYONS X
D1. Historique
Rœntgen a découvert les rayons X en 1895 dont pendant un certains temps, la nature ne
fût élucidée. Selon la théorie de Von Laue en 1912, les rayons X se propageant avec la vitesse de
la lumière ne sont déviés ni par un champ électrique ni par un champ magnétique.
Selon la théorie de la mécanique ondulatoire, Louis de Broglie en 1924 a pu confirmer
l’expérience de Bragg concernant la longueur d’onde de ces rayons X..
Enfin, la théorie d’Einstein s’applique aux rayons X comme à la lumière. Ainsi l’énergie
transportée par le rayonnement X est quantifiée.
D2. Propriétés du rayonnement X
Les rayons X ne sont pas constitués par des particules électrisées. Le rayonnement X,
ayant même nature que le rayon lumineux, est un champ électromagnétique variable se
propageant dans l’espace de caractères ondulatoire et corpusculaire.
1. Caractère ondulatoire des rayons X
Ces ondes électromagnétiques sont transversales.
Les champ électrique Eρ
et Hρ
sont réciproquement perpendiculaires et se situent dans un
plan perpendiculaire au vecteur – vitesse v de propagation de l’onde.
La relation entre Eρ
et Hρ
d’une onde électromagnétique se propageant dans un milieu non
conducteur est déterminée par la loi de Maxwell :
Le système de vecteurs { v , E , H } est dextrogyre.
HEHEHE
••
∧==
Rvvv
où : R - vecteur pointing
B - induction magnétique issue du champ Hρ
H
E
B
Annexe D : Diffractométrie aux rayons X
tBErot
∂∂
−= et div 0D = ;
tDHrot
∂∂
−= et div 0B = .
Pour un milieu homogène et isotrope non conducteur :
=D εε0 E et =B μμ0 H
avec : ε0, μ0 - constante diélectrique et perméabilité magnétique du vide
ε, μ - constante diélectrique et perméabilité magnétique relative du milieu
ainsi, tHErot
0 ∂∂
−= μμ et div 0E = ;
tEHrot
0 ∂∂
−= εε et div 0H = ;
2. Caractère corpusculaire des rayons X
Selon la théorie d’Einstein, les rayons X se propagent avec la vitesse de l’onde
électromagnétique sous forme de photons transportant chacun une énergie
W = h ν
Où : h - constante de Planck
ν - fréquence de la longueur d’onde utilisée
D3. Diffraction des rayons X par les cristaux
Les rayons X sont des ondes électromagnétique dont les longueur d’ondes λ ont été pues
mesurer en utilisant la diffraction des rayons X par les cristaux. Ainsi, les rayons X sont de
l’ordre de quelque Ǻ et ils restent très courtes devant les longueur d’onde des ondes visibles mais
de même ordre de grandeur que les écarts réticulaires des cristaux.
Quand on fait tomber de la lumière parallèle sur un réseau de traits finis parallèles
équidistant disposés dans un plan, on obtient une figure de diffraction, à condition que
l’équidistance des traits ont un ordre de grandeur comparable à celle de la longueur d’onde de la
lumière employée égale de 5 000 à 10 000 traits au centimètre ;
Annexe D : Diffractométrie aux rayons X
Par analogie, si un cristal est constitué d’un assemblage régulier de centres matériels, des
rangées de tels points doivent se comporter comme un réseau optique et permettre d’obtenir un
phénomène de diffraction.
1. Expérience de Friedrich – Laue
Le faisceau de rayons X tombe normalement aux faces d’une lame cristalline.
On observe ainsi une plaque photographique, parallèlement à la lame, la production d’une image
tout à fait particulière.
Expérience de Laue.Diffraction des rayons X par un cristal
Tout autour d’une large tache centrale provoquée par les rayons qui ont traversés
directement la lame apparaissant une série de taches de diffraction distribuées avec une symétrie
remarquable.
Deux conclusions en déduisent :
- les centres diffractants ne peuvent donc être distribués qu’avec une régularité
tridimensionnelle ;
- la distance entre centres diffractants soit du même ordre de grandeur que la longueur
d’onde du faisceau de rayons (de l’ordre de l’Ǻ = 10-8 cm).
2. Equations de Laue
D’une manière générale, l’image de diffraction due à une structure tridimensionnelle
périodique est déterminée par le type de symétrie de réseau.
Les directions menées aux maxima principaux de la diffraction satisfont aux équations de Laue :
a( cosα-cosα0 ) = h ג
b( cosβ-cosβ0 ) = k ג
c( cosγ-cosγ0 ) = l ג
où : h, k, l sont des entiers relatifs
a, b, c - les périodes du réseau le long de ses axes.
Diaphragmes
faisceau de rayons x
Annexe D : Diffractométrie aux rayons X
α0, β0, γ0 - angles faits par les axes du réseau avec les rayons incidents
α, β, γ - angles faits par les axes du réseau avec les rayons réfractés
cosα, cosβ, cosγ doivent de plus vérifier une relation géométrique liée à la disposition
réciproque. Par exemple, pour un réseau orthogonal, cos2α+ cos2β+ cos2γ = 1.
Ainsi, pour une direction donnée des rayons incidents (α0 , β0 , γ0 fixés), l’ observation des
maxima de diffraction (h, k, l) n’est possible que dans le cas d’une valeur déterminée de la
longueur d’onde ג.
Si S0 est le vecteur unitaire près dans la direction de l’onde incidente
Pour observer une diffraction c’est à dire un rayon lumineux intense dans la direction des , les
équations de Laue sont retrouvées sous forme de trois produits scalaires :
3. Formule de Bragg
K
A B
H
Sα
α
α0
S0
hsa =•
ksb =•
lsc =•
hλ)ss(a 0 =−•
kλ)ss(b 0 =−•
lλ)ss(c 0 =−•
S0
λ
λ1
hkld
λS
θ
θ
δ
N
IO
2θ
Onde incidente
θangle
d'incidence
de refléxionangle
de refléxionangle
Onde diffractéehkl
Annexe D : Diffractométrie aux rayons X
Construction d’ Ewald et établissement de la formule de Bragg
Une deuxième méthode beaucoup plus simple de calcul de diffraction cristalline consiste
à représenter le cristal sous forme d’un système de plans parallèles dont chacun passe par un
grand nombre de réseau appelé plan réticulaire.
Par ailleurs, on suppose que les plans réticulaires réfléchissent des ondes incidentes.
Ainsi, il est nécessaire pour qu’apparaissent des maxima de diffraction que les ondes réfléchies
par tous les plans parallèles réticulaires s’intensifient mutuellement.
Le vecteur de diffusion est λssδ 0−
=
Décomposons δ à partir de O dans la direction d’une onde diffractée
OIONδ −=
les points I et N appartiennent à la sphère d’ Ewald centrée en O et de rayon λ1 .
Notons par { a , b , c } la base du réseau et { *a , *b , *c }celle du réseau réciproque. Chacun des
vecteurs de base du réseau est relié à chaque vecteur de base du réseau réciproque par le symbole
de Krönecker :
j*i • = δij = 1 si i = j et 0 ailleurs
D’après le théorème de la base réciproque V*V = 1
si dhkl est la distance interreticulaire du réseau et que r*hkl celle du réseau reciproque
soit dhkl ∈ V et r*hkl ∈ V*, l’ ordre de diffraction n est donnée par leur produit.
dhkl
n* =rhkl
Comme *vs ∈ , *cr*bq*aps ++= , les équations de Laue deviennent
p*)cr*bq*ap(asah =++== •
q*)cr*bq*ap(bsbk =++== •
r*)cr*bq*ap(cscl =++== •
N est donc le nœud de l’espace réciproque d’indice h, k ,l perpendiculaire à la famille de plans de
mêmes indices du réseau direct.
Annexe D : Diffractométrie aux rayons X
===dn
λθsin2
hklδ r*hkl
Illustration de la loi de Bragg
En vertu de cette formule de Bragg, seules les ondes λ<2d peuvent être diffractées par les
réseaux spatiaux.
Ainsi d>2λ représente la condition d’homogénéisation optique du cristal pour les ondes
électromagnétiques λ.
λnθsin2dhkl = : Formule de Bragg
2θ
λanode
Cathode(filament)
θ
8 R
d
F.D
F
Compteur
Fente de reception ou d'analyse
Réseau de plans reticulaires
Tube RX
C Centre de cercle de focalisation
F.I
Cercle goniométrique
Annexe E : Analyses thermiques
ANNEXE E : ANALYSES THERMIQUES
E1. Analyse thermique différentielle (A.T.D)
La courbe enregistrée est une parallèle à l’axe de température lorsque l’échantillon
s’échauffe selon la même loi que le corps de référence tout phénomène thermique au sein de
l’échantillon fait naître une différence de température qui atteint son maximum en fin de réaction
et s’annule plus ou moins lentement jusqu’à ce que l’équilibre de température soit de nouveau
atteint.
On enregistre ainsi :
une inflexion endothermique
ou un crochet exothermique
permettant d’identifier la nature du minéral, les différentes variétés cristallines présentes dans
l’échantillon, les pics et les bosses.
Le principe de cette méthode est de mesurer la différence de température à l’aide de deux
thermocouples montés en opposition.
Principe de l’ A.T.D.
Skepton a donné une couche
représentant l'activité des argiles en
fonction de Ip et de ta. - échantillon : 20mg
- vitesse de chauffe 8°/mn
- Sensibilité à l’entrée : 50mV
- Déroulement du papier thermogramme :
3mm/mn
- Athmosphère : air
Annexe E : Analyses thermiques
E2. Analyse thermogravimétrique( AT.G.)
La connaissance de l’amplitude des pertes de poids ainsi que des températures auxquelles
elles se produisent servent à caractériser la nature des minéraux argileux qui se déshydratent en
plusieurs temps correspondant à la nature de l’eau éliminée au cours de leur chauffage :
- Aux températures ambiante et moyenne, l’eau d’humidité et l’eau zéolithique sont
éliminées. La structure cristalline n’est pas détruite et ce départ d’eaux donne lieu à des
phénomènes réversibles du variants. L’homogénéité est ainsi conservée en une seule
phase solide de la matière.
- Aux températures élevées, s’élimine l’eau de constitution. Ce départ d’eau, obtenu à
partir d’une température minimale détruit la structure cristalline et donne lieu à un
phénomène irréversible. Il y a une libération des hydroxyles du réseau en fonction de la
vitesse de montée de la température c’est à partir de la quantité d’eau obtenue qu’on
déduit le nombre d’hydroxyles éliminés.
Le principe de cette méthode est l’utilisation d’une thermobalance qui enregistre les pertes
de masse de l’échantillon pendant l’échauffement.
La courbe de déshydratation est perturbée par la présence des minéraux secondaires ou
d’impuretés organiques.
Enfin pour doser l’eau éliminée, la seule méthode correcte est la pesée directe après
absorption sur des tubes à ponce sulfurique et la déshydratation dans une atmosphère d’azote.
On peut diviser les minéraux argileux en trois groupes caractérisés par un, deux, trois
inflexions.
I. Minéraux à courbe d'une seule inflexion
Minéral Température minimale de déshydratation (°C)
Perte en eau %
Gel 25 -
Hydrargilite 250 32
Goethite 250 11
Lépidocrocite 250 11
Brucite 300 32
Kaolinite 430 13
Barthiérine 445 14
Annexe E : Analyses thermiques
Diaspore 450 15
Nouméite 460 12
Antigone 550 13
Pysophyllite 640 9
Muscovite 765 4
Talc 890 4
phlosopite 1120 4
II. Minéraux à courbes à deux inflexions
1ère inflexion 2ème inflexion
Minéral Température minimale de
déshydratation °C
Perte en eau %
Température minimale de
déshydratation °C
Perte en eau %
Remarque
Nontronite 40 13 360 3
Halloysite 20 10 410 12
Montmorillonite 40 15 580 4 Parfois 3 inflexions
Hectorite 40 15 700 4
Chlorite 540 9 820 -
III. Minéraux à courbe à trois inflexions
1ère inflexion 2ème inflexion 3ème inflexion
Minéral Température minimale de
déshydratation °C
Perte en eau
%
Température minimale de
déshydratation °C
Perte en eau
%
Température minimale de
déshydratation °C
Perte en eau
% Palygorskite 30 10 200 3 360 5.5
Vermiculite 30 12 210 2 120 4
Illite 50 3.5 410 4 810* 1
ripidolite 20 11 280 3 780 2
(* Parfois n'existe pas)
Annexe E : Analyses thermiques
IV. Quelques courbes de référence des analyses thermogravimétriques d'argiles
1. Courbes thermogravimétriques de kaolinite
La courbe de déshydratation de la kaolinite se caractérisé par une faible quantité d'eau
hygroscopique. Un départ nul ou très faible jusqu'à 350-450°, un départ de constitution très
brusque entre 490-530° et 550-595°. Enfin départ d'eau très faible à partir de 600°. S'annulant
complètement vers 900°.
Annexe E : Analyses thermiques
2. Courbes thermogravimétriques d'illite
La courbe de déshydratation des illites est très molle, avec des congés adoucis. Sa pente est plus
faible que pour la kaolinite et varie avec la composition chimique du minéral. On y remarque une
pente d'eau zéoilitique de 20 à 120-140° suivi q'un départ progressif d'eau jusqu'à 440°, où
s'amorce le départ de l'eau de constitution qui est beaucoup plus lent que pour la kaolinite et se
prolonge jusque vers 800°, température à laquelle a souvent lieu une dernière perte d'eau de
faible importance.
Annexe E : Analyses thermiques
3. Courbe thermogravimétriques de montmorillonite
On remarque un premier départ d'eau hydroscopique et zéolitique très important entre 20 et 250°,
suivi d'un palier, puis une déshydratation importante entre 380 et 580° qui correspond au départ
de l'eau de constitution. Enfin une troisième perte de masse se situe entre 650 et 750°. Ces trois
pertes de masse correspondent aux trois crochets d'analyse thermique.
Annexe E : Analyses thermiques
4. Courbes thermogravimétrique d'halloysite
La courbe de déshydratation de l'halloysite montre un départ d'eau zéolithique très poussé jusqu'à
120°, suivi d'une perte faible jusqu'à 350-400°, température à laquelle s'amorce le départ de l'eau
de constitution. La courbe 3 est analogue à celle d'une kaolinite, avec un léger reste d'eau
zéolithique.
Annexe E : Analyses thermiques
5. Courbe thermogravimétriques d'une argile contenant des matières humides
a. Argile kaolinitique humide brute. La perte de masse due aux matières organiques commence
vers 250°
b. Même argile préalablement traitée à l'eau oxygénée ou à l'acide perchlorique.
MEMOIRE SOUTENU POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’ETUDES APPROFONDIES
EN SCIENCES DES MATERIAUX
TITRE : ETUDE ET VALORISATION DES ARGILES DE MANDRAY –
ANTSIRABE
Nombre de pages : 133
Nombre de tableaux : 46
Nombre de figures : 15
Nombre des photos : 12
Nombre des annexes : 36
Les argiles sont abondantes à Madagascar. Mais leur caractérisation est
assez limitée voire inexistante que leurs utilisations en tant que matériaux
n’occupent pas encore une grande place dans le développement économique du
pays. Ainsi, notre étude s’est concentrée sur les techniques expérimentales
appliquées sur les échantillons représentatifs des argiles de Mandray –
Antsirabe et concerne :
- l’analyse géotechnique ;
- l’analyse physico-chimique ;
- l’analyse thermoponderale et de retrait ;
Dans le cadre de la présente étude, les argiles répertoriées trouvent ses
possibles utilisations et ouvrent des perspectives de recherche ou d’emploi.
Mots clés
Argiles – Identification visuelle – fines – Réseau réciproque – Rayon X – GPS –
retrait – Matières organiques.
Directeur de Mémoire : Monsieur RANDRIANJA Roger, Professeur
Impétrant : Monsieur RANOARISON Haingo Hardy
IPB 28 Bemasoandro Itaosy Antananarivo 102
033 11 734 71
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