Activation chimique de briques d'argile à base de kaolin : une approche durable pour l'amélioration des propriétés mécaniques et thermophysiques

Ce travail examine l'utilisation de divers activateurs acides, notamment l'acide chlorhydrique (HCl), l'acide sulfurique (H2SO4), l'acide phosphorique (H3PO4) et une combinaison de ces acides, pour améliorer les propriétés thermophysiques de briques composites d'argile cuite modifiées au kaolin. Afin d'améliorer les capacités isolantes de ces matériaux, l'accent est mis sur la réduction de leur diffusivité, de leur capacité thermique spécifique et de leur conductivité thermique. Parallèlement, les propriétés de surface et catalytiques des argiles fibreuses ont été améliorées chimiquement par l'ajout d'argile kaolinite activée par un acide. Les propriétés mécaniques, thermophysiques, morphologiques, de retrait, de densité, de porosité, de microstructure et de retrait de chaque composite argile-kaolin(acide) ont été examinées en détail, et la performance en matière de conductivité thermique a été optimisée. L'intensité de tous les pics du diagramme de diffraction des rayons X a augmenté par rapport au pic non traité lors de l'ajout de différents types d'acides à la matrice de kaolin. Parallèlement, l'ajout de ces activateurs a influencé la porosité apparente (c'est-à-dire 29,15 à 29,47 %) et la résistance à la compression (c'est-à-dire 11,59 à 12,33 kg/cm²) des compositions. Les résultats démontrent que le traitement avec ces acides réduit la conductivité thermique (c'est-à-dire 0,46 à 0,44 W/mk) et la diffusivité, ce qui est attribué à l'augmentation de la porosité et à la modification de la microstructure des briques. De plus, la combinaison des trois acides (H2SO4/HCl/H3PO4) a permis les améliorations les plus significatives, donnant un composite aux capacités d'isolation supérieures. Ces observations sont attribuées à la formation de deux phases minérales clés au sein des briques cuites : la mullite et le diopside. La mullite renforce la liaison au sein du réseau d'aluminosilicate, améliorant ainsi le réseau céramique et favorisant une microstructure plus dense et plus stable mécaniquement sans augmentation significative de la porosité. Parallèlement, le diopside contribue également au développement de la résistance et est largement reconnu pour son rôle dans les céramiques isolantes en raison de son excellente stabilité thermique et de sa résistance à la corrosion chimique. 

Introduction

Une petite quantité d'eau peut transformer la substance naturelle terreuse et à grain fin connue sous le nom d'argile en une forme flexible. Lors de la désintégration chimique et mécanique des roches silicatées, comme le granite, dans des conditions chaudes et humides, une combinaison complexe appelée aluminosilicate contenant des molécules d'eau liées se forme¹. Les sédiments naturels, les roches à composition sédimentaire, les dépôts hydrothermaux et les solides sont les endroits les plus courants où l'on trouve de l'argile². À cet égard, l'industrie de la brique d'argile a connu une croissance significative au fil du temps en raison des besoins croissants des pays émergents en matière d'infrastructures et de logements. Par conséquent, l'industrialisation rapide de ces pays a généré une grande quantité de déchets nocifs pour l'environnement. Pour résoudre ce problème, plusieurs méthodes ont été utilisées pour produire des briques respectueuses de l'environnement, dont une stratégie de cimentation et d'activation par cuisson au four. Cette approche remplace les briques d'argile cuites traditionnelles par des briques à base d'argile partiellement activées par un acide. Cela a donné naissance aux briques de kaolin activées par un acide, qui ont été mélangées, façonnées et durcies à une température normale ou élevée. Le kaolin est une argile minérale généralement blanche, terreuse à mate et malléable au toucher. En raison de sa faible surface spécifique et de sa taille de particules relativement importante, le kaolin présente une cohésion, un gonflement et une flexibilité réduits. Sa formule chimique est Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. Les gisements de kaolin sont utilisés industriellement pour les briques d'argile cuites, le revêtement et le remplissage du papier, ainsi que comme matières premières pour la peinture, le plastique et la céramique (porcelaine et vaisselle)³. Cependant, le kaolin doit être modifié pour devenir un support catalytique encore plus performant. L'activation chimique est l'une des méthodes utilisées pour modifier les propriétés du kaolin⁴,⁵.

Selon Panda et al.⁶, des échantillons d'argile ont été lessivés par traitement acide, un type d'activation chimique. Cela a entraîné la décomposition des systèmes argileux, l'élimination des matières volatiles et des contaminants minéraux, une augmentation de la surface spécifique et la dissolution des couches externes. Il a été démontré que la dissolution ou le réarrangement des ions structurels peut entraîner des modifications de la composition cristalline des minéraux aluminosilicates⁷. Tous ces processus ont eu un impact sur la composition et la structure chimiques de la substance. Ces changements améliorent également les propriétés catalytiques de l'argile en augmentant le nombre de centres acides, en fonction du degré de traitement⁸. L'alumine, la silice et les charges sont les principaux composants de l'argile, et ils sont tous activés par des activateurs acides, en particulier l'acide chlorhydrique.

Source Nature auteurs Wafaa Soliman & M. Abdelhamid Shahat