Chapitre 3 DÉTERMINATION
DE LA SURFACE SPÉCIFIQUE
1. Introduction :
Le but de ce chapitre est de présenter les techniques
analytiques ainsi que les protocoles expérimentaux utilisés. Nous
présentons en premier lieu, un aperçu sur la mesure de la mesure
de la surface spécifique par la méthode de bleu de
méthylène selon la norme NF P 11-300. Ainsi, nous évoquons
également, les techniques du dosage de bleu de méthylène,
en l'occurrence spectrophotométrie ultraviolet/visible, selon l'approche
développée récemment à l'université de
Laval.
2. Identification des matériaux
utilisés :
2.1. La surface spécifique
Par définition, la surface spécifique
(Ss) appelée aussi « Aire massique »
représente la surface totale (As) par unité de masse (M) et on
l'exprime généralement en m²/g :
Équation 1
On peut éventuellement l'exprimer en surface par
unité de volume, soit en (m²/m3 = m-1)
(Hillel, 1992), mais ceci est assez rare.
La surface spécifique est une des
caractéristiques les plus importantes des sols et des
sédiments. Elle a été liée au type et à la
quantité d'argile (Tiller et Smith, 1990), à la teneur en eau
(Newman, 1983), à la minéralogie des argiles et à la
capacité d'échange cationique (De Kimpe et al., 1979; Petersen et
al., 1996), à la limite de liquidité (Farrar et Coleman, 1967;
Muhunthan, 1991) et à l'angle de friction interne des sols (Moore,
1991). Également, la surface spécifique a été
utilisée pour interpréter des caractéristiques physiques
telles que les potentiels de rétrécissement - gonflement (Dasog
et al., 1988; Fityus et al., 2000.) et la susceptibilité au gel -
soulèvement (Rieke et al., 1983). La surface spécifique
déterminée à partir de méthodes d'adsorption peut
aussi être utilisée pour évaluer les
propriétés chimiques de surface telles que l'adsorption des
éléments chimiques, des métaux et phosphates dans les sols
(Peter et Weber, 1985; et autres) et la capacité de rétention
d'eau (Yukselen et Kaya, 2006).
2.1.1. Facteurs
influençant la valeur de la surface spécifique (Ss)
Plusieurs facteurs peuvent avoir une influence sur les
valeurs mesurées de Ss. La taille, la forme, la
composition minéralogique et l'état de surface des grains
sont identifiés dans la littérature comme les plus importantes
(Bigham et al., 1978; Borggaard, 1982, Schulze et Schwertmann, 1984;
Schwertmann et Kämpf, 1985; Feller et al., 1992, et autres). Ces facteurs
sont détaillés ci- dessous :
Taille: Si on suppose que les grains sont
sphériques et possèdent tous le même rayon (r),
ils ont tous la même masse volumique ou densité (ñ).
L'équation 1 se réécrit alors de la façon suivante
:
Équation 2
Où : Ss est la surface spécifique; As; la
surface totale; M, l'unité de masse; V, le volume; ñ, la
densité; r, le rayon de particule. On a donc pour la surface
spécifique :
Équation 3
Par conséquent, l'équation 3 montre que la
surface spécifique (Ss) dépend de la plus petite dimension de
la particule: Celle-là croit inversement avec la plus petite
dimension de la particule. De plus, plus le rayon (r) est grand plus la
surface spécifique (Ss) tend vers zéro. La figure 3.7 illustre
mieux ce comportement.
Figure 3 : Influence de la taille de la particule
sur la surface spécifique.
Cependant, ce modèle est bien entendu simpliste
puisque les grains sont en général ni sphériques, ni
de même taille. Mais, en pratique, il doit être clair qu'un
matériau composé de petites particules a en moyenne une surface
spécifique (Ss) plus grande que celle d'un même matériau
composé de grosses particules.
Forme: La figure 3.8 montre également
que la surface spécifique (Ss) dépend de la forme de la
particule. On peut remarquer que celle-ci a tendance à s'aplatir quand
la surface spécifique (Ss) augmente.
Figure 4 : Influence de la forme de la particule
sur la surface spécifique
(Santamarina et al., 2001).
Composition minéralogique: La figure
5 présente les différentes valeurs de la surface
spécifique (Ss) des minéraux les plus courants. Il est à
noter que la montmorillonite possède les valeurs les plus importantes
de surface spécifique en comparaison avec tous les autres
minéraux.
L'état de surface: L'inspection
microscopique a montré des irrégularités de surface
en particulier dues aux pores et autres imperfections. Ces
irrégularités donnent une surface réelle toujours
supérieure à la surface idéale sans imperfections. Les
analyses de Tokunaga, et al. (2003), sur les fractions de graviers comprises
entre 2 mm et 6 mm, ont montré que la rétention d'eau est
fonction de l'état de surface et de la porosité intragranulaire.
Ces auteurs ont proposé des chemins de morphologie possibles pour
les grains arrondis. La figure 3.9 montre les différents
états de surface d'un grain. Les mêmes variétés de
morphologies existent aussi pour les grains angulaires. Sur la figure on peut
voir que la représentation la plus simple correspond au grain de surface
lisse pour lequel la porosité intragranulaire est négligeable.
D'autres possibilités incluent des grains à surfaces rugueuses
avec une porosité interne importante, ainsi que des altérations
superficielles causées par les agents atmosphériques.
Il est donc évident que la surface spécifique
comprend des effets combinés des facteurs mentionnés ci-dessus.
De plus, comme il existe diverses méthodes pour déterminer la
surface spécifique, la procédure de mesure peut aussi avoir une
influence importante sur les valeurs mesurées.
Figure 5 : Les différents états de
surface de grain (Tokunaga et al., 2003).
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