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L'argile acquiert de la plasticité à l'état humide, mais durcit à la cuisson . L'argile est la matière première céramique connue depuis le plus longtemps. Les hommes préhistoriques ont découvert les propriétés utiles de l'argile et l'ont utilisée pour fabriquer de la poterie . Certains des plus anciens tessons de poterie ont été datés d'environ 14 000 avant notre ère , et les tablettes d'argile constituent le premier support d'écriture connu. L'argile est utilisée dans de nombreux procédés industriels modernes, tels que la fabrication du papier , la production de ciment et la filtration chimique . Entre la moitié et les deux tiers de la population mondiale vivent ou travaillent dans des bâtiments construits en argile, souvent cuite et transformée en brique, qui constitue un élément essentiel de leur structure porteuse. En agriculture, la teneur en argile est un facteur déterminant de l'arborescence des sols . Les sols argileux sont généralement moins adaptés aux cultures en raison d'un mauvais drainage naturel ; cependant, ils sont plus fertiles, du fait d' une capacité d'échange cationique plus élevée .
L'argile est une substance très courante. Le schiste argileux , composé principalement d'argile, est la roche sédimentaire la plus répandue. Bien que de nombreux gisements naturels contiennent à la fois des limons et de l'argile, les argiles se distinguent des autres sols à grains fins par leur granulométrie et leur minéralogie. Les limons , sols à grains fins dépourvus de minéraux argileux, ont généralement des particules plus grosses que les argiles. Les mélanges de sable , de limon et de moins de 40 % d'argile sont appelés limons . Les sols riches en argiles gonflantes ( argiles expansives ), qui sont des minéraux argileux qui augmentent facilement de volume lorsqu'ils absorbent l'eau, constituent un défi majeur en génie civil .
La propriété mécanique déterminante de l'argile est sa plasticité à l'état humide et sa capacité à durcir par séchage ou cuisson. Les argiles présentent une large gamme de teneurs en eau pour lesquelles elles sont très plastiques, depuis une teneur minimale (appelée limite de plasticité ) où l'argile est juste assez humide pour être modelée, jusqu'à une teneur maximale (appelée limite de liquidité) où l'argile modelée est juste assez sèche pour conserver sa forme. La limite de plasticité de l'argile kaolinite se situe entre 36 % et 40 % environ, et sa limite de liquidité entre 58 % et 72 % environ. Une argile de haute qualité est également tenace, comme en témoigne l'effort mécanique nécessaire pour aplatir un échantillon d'argile. Sa ténacité reflète un degré élevé de cohésion interne.
L'argile est riche en minéraux argileux qui lui confèrent sa plasticité. Ces minéraux sont des phyllosilicates d'aluminium hydratés , composés d'ions aluminium et silicium liés en fines plaquettes par des ions oxygène et hydroxyde . Ces plaquettes, à la fois résistantes et flexibles, adhèrent les unes aux autres dans l'argile humide. Les agrégats ainsi formés confèrent à l'argile la cohésion qui la rend plastique. Dans la kaolinite , la liaison entre les plaquettes est assurée par un film de molécules d'eau qui forment des liaisons hydrogène . Ces liaisons sont suffisamment faibles pour permettre aux plaquettes de glisser les unes sur les autres lors du modelage, mais suffisamment fortes pour les maintenir en place et permettre à l'argile modelée de conserver sa forme. Lorsque l'argile sèche, la plupart des molécules d'eau disparaissent et les plaquettes forment des liaisons hydrogène directes, ce qui rend l'argile sèche rigide mais toujours fragile. Si l'argile est réhumidifiée, elle retrouve sa plasticité. Lors de la cuisson de l'argile jusqu'au stade de la faïence , une réaction de déshydratation élimine l'excès d'eau, ce qui provoque une adhésion irréversible des plaques d'argile entre elles par des liaisons covalentes plus fortes, renforçant ainsi le matériau. La kaolinite, minéral argileux, se transforme en métakaolin , un matériau non argileux qui conserve sa rigidité et sa dureté même après réhumidification. Les cuissons suivantes, lors des étapes de grès et de porcelaine , recristallisent davantage le métakaolin en minéraux encore plus résistants, tels que la mullite .
La taille minuscule et la forme lamellaire des particules d'argile confèrent aux minéraux argileux une grande surface spécifique. Dans certains minéraux argileux, les plaquettes portent une charge électrique négative compensée par une couche environnante d'ions positifs ( cations ), tels que le sodium, le potassium ou le calcium. Si l'argile est mélangée à une solution contenant d'autres cations, ces derniers peuvent échanger leur place avec les cations de la couche entourant les particules d'argile, ce qui confère aux argiles une forte capacité d' échange d'ions . La chimie des minéraux argileux, notamment leur capacité à retenir des cations nutritifs tels que le potassium et l'ammonium, est importante pour la fertilité des sols.
L'argile est un composant fréquent des roches sédimentaires . Le schiste bitumineux, principalement composé d'argile, est la roche sédimentaire la plus courante . Cependant, la plupart des gisements d'argile sont impurs. De nombreux gisements naturels contiennent à la fois des limons et de l'argile. Les argiles se distinguent des autres sols à grains fins par leur granulométrie et leur minéralogie. Les limons, sols à grains fins dépourvus de minéraux argileux, ont généralement des particules plus grosses que les argiles. Il existe toutefois un certain chevauchement en termes de granulométrie et d'autres propriétés physiques. La distinction entre limon et argile varie selon les disciplines. Les géologues et les pédologues considèrent généralement que la séparation se situe à une taille de particule de 2 μm (les argiles étant plus fines que les limons), les sédimentologues utilisent souvent 4 à 5 μm, et les chimistes des colloïdes 1 μm . Les particules de la taille de l'argile et les minéraux argileux ne sont pas identiques, malgré un certain chevauchement dans leurs définitions respectives. Les ingénieurs géotechniciens distinguent les limons des argiles en fonction de la plasticité du sol, mesurée par les limites d'Atterberg . La norme ISO 14688 classe les particules d'argile comme ayant une taille inférieure à 2 μm et celles de limon comme ayant une taille supérieure. Les mélanges de sable, de limon et contenant moins de 40 % d'argile sont appelés limons.
Certains minéraux argileux (comme la smectite ) sont qualifiés d'argiles gonflantes car ils possèdent une grande capacité d'absorption d'eau et augmentent considérablement de volume lorsqu'ils s'en gorgent. Une fois secs, ils reprennent leur volume initial. Ce phénomène produit des textures caractéristiques, telles que des fentes de dessiccation ou une texture « popcorn », dans les dépôts argileux. Les sols contenant des minéraux argileux gonflants (comme la bentonite ) représentent un défi considérable pour le génie civil, car l'argile gonflante peut fragiliser les fondations des bâtiments et détériorer les assises de chaussée.
Agriculture
L'argile est généralement considérée comme indésirable pour l'agriculture, bien qu'une certaine quantité soit un composant nécessaire d'un bon sol. Comparés à d'autres types de sols, les sols argileux sont moins adaptés aux cultures en raison de leur tendance à retenir l'eau ; ils nécessitent un drainage artificiel et un travail du sol pour être cultivables. Cependant, les sols argileux sont souvent plus fertiles et retiennent mieux les nutriments grâce à leur capacité d'échange cationique plus élevée , ce qui permet de maintenir une plus grande surface cultivée plutôt que de la laisser en jachère . Comme l'argile a tendance à retenir les nutriments plus longtemps avant de les lessiver, cela signifie également que les plantes peuvent nécessiter davantage d'engrais dans les sols argileux.
Formation
Les minéraux argileux se forment le plus souvent par altération chimique prolongée des roches silicatées. Ils peuvent également se former localement par activité hydrothermale . L'altération chimique se produit principalement par hydrolyse acide due à de faibles concentrations d' acide carbonique , dissous dans l'eau de pluie ou libéré par les racines des plantes. L'acide rompt les liaisons entre l'aluminium et l'oxygène, libérant d'autres ions métalliques et de la silice (sous forme de gel d' acide orthosilicique ).
Les minéraux argileux formés dépendent de la composition de la roche mère et du climat. L'altération acide des roches riches en feldspath , comme le granite , sous des climats chauds, tend à produire du kaolin . L'altération du même type de roche en milieu alcalin produit de l'illite . La smectite se forme par altération des roches ignées en milieu alcalin, tandis que la gibbsite se forme par altération intense d'autres minéraux argileux.
Il existe deux types de dépôts argileux : primaires et secondaires. Les argiles primaires se forment comme dépôts résiduels dans le sol et restent sur leur site de formation. Les argiles secondaires sont des argiles transportées de leur emplacement d’origine par l’érosion hydrique et déposées dans un nouveau dépôt sédimentaire . Les dépôts d’argile secondaires sont généralement associés à des environnements de dépôt à très faible énergie, tels que les grands lacs et les bassins marins.
Variétés
Les principaux groupes d'argiles comprennent la kaolinite , montmorillonite - smectite et l'illite . La chlorite , vermiculite , et la pyrophyllite sont parfois également classés comme minéraux argileux. On dénombre une trentaine de types d'argiles « pures » dans ces catégories, mais la plupart des gisements d'argile « naturels » sont des mélanges de ces différents types, ainsi que d'autres minéraux altérés. argileux dans les argiles est plus aisée par diffraction rayons X que par des tests chimiques
La varve (ou argile varvée ) est une argile présentant des stratifications annuelles visibles, formées par le dépôt saisonnier de ces couches et caractérisées par des variations d' érosion et de teneur en matière organique. Ce type de dépôt est fréquent dans les anciens lacs glaciaires . Lorsque des sédiments fins sont transportés dans les eaux calmes de ces bassins lacustres glaciaires, loin du rivage, ils se déposent au fond du lac. La stratification saisonnière qui en résulte est préservée par une répartition homogène des bandes sédimentaires argileuses.
L’argile vive est un type unique d’ argile marine indigène des terrains glaciaires de Norvège, d’Amérique du Nord, d’Irlande du Nord et de Suède. C’est une argile très sensible, sujette à la liquéfaction , et elle a été impliquée dans plusieurs glissements de terrain meurtriers .
Utilisations
L'argile à modeler est utilisée en art et en artisanat pour la sculpture . Elle sert à fabriquer des poteries , utilitaires et décoratives, ainsi que des matériaux de construction comme les briques, les revêtements muraux et les carreaux de sol. Différents types d'argile, associés à divers minéraux et cuits selon différentes conditions, permettent de produire de la faïence, du grès et de la porcelaine. Les hommes préhistoriques ont découvert les propriétés utiles de l'argile. Parmi les plus anciens tessons de poterie retrouvés, certains proviennent du centre de Honshu , au Japon . Ils sont associés à la culture Jōmon , et les gisements mis au jour ont été datés d'environ 14 000 avant notre ère. Des pots de cuisine, des objets d'art, de la vaisselle, des pipes et même des instruments de musique comme l' ocarina peuvent être façonnés en argile avant d'être cuits.
Les anciens peuples de Mésopotamie ont adopté les tablettes d'argile comme premier support d'écriture connu. L'argile a été choisie car c'était un matériau local facile à travailler et abondant. Les scribes écrivaient sur les tablettes en utilisant une écriture cunéiforme , à l'aide d'un roseau émoussé appelé stylet , qui produisait des marques en forme de coin. Après avoir été écrites, les tablettes d'argile pouvaient être retravaillées et réutilisées si nécessaire, ou cuites pour devenir des documents permanents. De nos jours, l'argile est ajoutée comme charge au graphite dans les mines de crayon, pour modifier la dureté et l'intensité du noir . Des boules d'argile spécialement fabriquées étaient utilisées comme munitions pour les frondes . L'argile est utilisée dans de nombreux procédés industriels, tels que la fabrication du papier , la production de ciment et la filtration chimique . L'argile bentonite est largement utilisée comme liant pour moules dans la fabrication de pièces moulées en sable .
Matériels
L’argile est une charge couramment utilisée dans les nanocomposites polymères . Elle peut réduire le coût du composite et lui conférer un comportement modifié : augmentation de la rigidité , diminution de la perméabilité , diminution de la conductivité électrique , etc.
Médecine
L’utilisation traditionnelle de l’argile à des fins médicinales remonte à la préhistoire. On peut citer en exemple le bole arménien , utilisé pour soulager les maux d’estomac. Certains animaux, comme les perroquets et les porcs, ingèrent de l’argile pour des raisons similaires. L’argile kaolinique et l’attapulgite ont été utilisées comme médicaments antidiarrhéiques.
Construction
L'argile, composant essentiel du limon, est l'un des plus anciens matériaux de construction sur Terre , au même titre que d'autres matériaux géologiques naturels anciens comme la pierre et des matériaux organiques comme le bois. de construction naturelles , l'argile sert à la fabrication de l'adobe , du torchis , du bois cordé , ainsi que de structures et d'éléments de construction tels que le torchis , l'enduit d'argile, les chaumes, les sols en argile, les peintures à l'argile et les matériaux de construction en céramique . L'argile était également utilisée comme mortier dans les cheminées en briques et les murs en pierre, là où ils étaient protégés de l'eau.
L’argile, relativement imperméable à l’eau, est également utilisée lorsqu’une étanchéité naturelle est nécessaire, par exemple pour le revêtement des bassins, le noyau des barrages ou comme barrière contre les infiltrations de substances toxiques dans les décharges (revêtement de la décharge, de préférence en combinaison avec des géotextiles ). Des études menées au début du XXIe siècle ont examiné les capacités d’absorption de l’argile dans diverses applications, telles que l’élimination des métaux lourds des eaux usées et la purification de l’air.