IIIIIIIIlIIII

tIIII

BRGML I ' N ' R E P R I S E A U S E R V I C I O I I A I E N T É

III

mémento roches et minéraux industriels

la bentonite

P. Le Berre

février 19888 8 S G N 1 1 5 c E O

Minis tère de I ' lndustr i€ ,des Postes e1 Télécommun icat ionset du Commerce extér ieur

Ètude réêl isée dans le cadr 'e desact ions de Serv ice publ ic d! AFGM

BRGMService Géologique National

Département GéologieB.P, 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - France

ïé t . : (33) 39 .64 .34 .34

IITITIITItITIIII

POAR TOUS RENSEIGNEMENTS ET COMMANDES, CONTACTER :

BRGMS E RW CE MI N I E R NATI ON AL (SMN/REM)

B"P. 60O9 - 45060 ORLEANS CEDEX 2Téléphone Secrétariat : 02 38 64 33.09

T, : 02 38.64.37.29 -TëIex: BRGM 780258 F

tIIIT

ITIIItIIItIIIIIITItII

SOUHAIRE

INTRODUCTION

1 - ECOÛOMIE ET UARCHE

l.l - t{ârché français

1.1.1 - Répart i t ion du marché par entrepr ises

1 . 1 . 2 - P r o d u c t i o n f r a n ç a i s e d ' a r g i l e b r u t e

1 . 1 . 3 - I r n p o r t a t i o n s

1 . 1 . 4 - E x p o r t a t i o n s

1.1.5 - Consomnat io l r âpparente

1 . 1 . 6 - N i v e ê u d e s p r i x

1.2 - Production nondiale

1 , 2 . 1 - P r i n c i p a l ê s s o c i é t é s p r o d u c t r i c e s

l . 2 . l . l - E t a t s - U n i . s

1 . 2 . 1 . 2 - E u r o p e

l . ? . 1 . 3 - A u t r e s p a y s

1.2.2 - Evolut i .on de la product ion nondia le

2 - GEOLOGIE

2.1 - l{inéralogie

2.1.1 - St ructure cr is ta l l ine et norpholot ie

2,1 .2 - Nature des snect i tes des pr inc j .paux g isenents debentoni te

2.2 - Types de gisements

2 . 2 . 1 - o r i g i n e v o l c a n i q u e ( d ' a p r è s R . E . G f i m e t N . G i i v e n , 1 9 7 g )

2.2.2 - or ig ine sédinenta i re

3 - PROPRIETES ET UTILISATIOITS

3.1 - Relations structure cristalline - propriétés

- 2 -

3.2 - Utilisation des be[tonites calclques

3.3 - Utilisatiors des bentonj.tes sodiques (naturelles et artificielles)

3.3.1 - Ut i l lsat ions en fonct ion du pouvoir l iant

3.3.2 - Ut i l isat ions en l ia isoLavec les Dropr iété

3.ô - Utilisations des bentonites activées Par traiteûeût acide

3.5 - Utilisâtion de lrhectorite

3.6 - Uti.lisatiotr des bentouites ortanophiles

3.7 - Utilisations des beatoniteB blalcheB

3.8 - Utilisation de la saPouite

4 - CRITERES D I EIPLOITAAILITE ET SPECIFICATIOIfS IIflXISIBIELLE.S

4.1 - Principaux critère6 droçloltabilité

4.I .1 - Cr i tères l iés au t isement

4.I .2 - Cr i tères l iés à la nat ière brute

4 .1 .3 - Ana lyses e t t es t s

4.1.3.1 - Composit ion des échant l l lons

4.1.3.2 - Tests physico-chimiques

4.2 - Spécifications indu6trielles

4.2.L - Ut i l isat ion en fonderie

4.2.2 - Ut i l isat j .gq pour Ie bouletage du Tûinera l de fer

4.2.3 - Utilisêton en forage et t ravaux publlcs

4.2.3.1 - Rappels concernant la rhéologie

4.2.3.2 - Techniques ut i l isées pour 1a déterminat iondes caracté rist iques d'une boue à base debentoni.te

4.2.3.3 - SPécif lcat ions concernaût les bentonl tesut i l isées en forage Pétrol ier

4.2.3.4 - Spéci f icat ion concernant les bentoni tesutilisées en t ravaux Publics

ItITIIItIItIIIIIItIII

- 3 -

5 - I()DES DE TRAITEUEM

5.1 - Fabrication d€ bentonite sodique

5.2 - Fabrication de bentonite activée à I raci-de

5.3 - Fabrication d'argile déshydratante

5.4 - Fabrication de be[toûlte épurée

6 - PRODUITS DE SI]B.5TITI'TION

6.1 - Utilisation en fonderie

6.2 - lrtilisation pour le bouletage du ninerai de fer et de lalourriture aninale

6.3 - Utilisatiotrs en forate et co@e absorbants

BIBLIOGRAPIIE SO {AIRE

- 4 -IttIIIlIIIt

IIITRODT]ClION

Le terne bentoni te a été proposé en i898 par Knight pour désigner uneargile au toucher savonneux appartenant à la formation "Benton shale" etaffleurant dans 1a région de Rock Rlver (Lryorning) où la première exploitationde bentoni te aura i t é té ouver te. Cet te format ion t i re son nom de For t -BentonsiÈué à 650 km environ âu Nord de Rock River.

Le marché des bentoni tes est obscurc i par une profus ion de termesconnerc iaux ou régionaux ut i l isés pour décr i re cer ta ins natér iaux (c f .tab leau 1) . Une première confus ion est venue de l ru t i l isat ion du terme " terre

à foulon" de par t e t drautre de I 'At lant ique. His tor j .quement , ce termedésignâi t toutes les arg i les absorbant les hui les, les gra isses ou lesnat ières colorantes et qui pouvalent êt re ut i l isées pour net toyer (ou fouler)la laine. Ce ten e est encore très utillsé au Royaune-Uni et aux USA. Compte-tenu de la nature des arg i les qui é ta ient ut i l isées pour fou ler la la ine, lesterres à foulon désignent :

- au Royaume-Uni i des snectites cêlciques

- aux USA : des at tapulg i tes, des snect i tes ca lc iques ou des mélangesde ces arg i les.

De nombreux qual i f icat i fs sont égalenent ut l l isés pour désignercaractér is t ique de 1 'ar t i le (bentoni te gonf lante ou non-gonf lante) ourégj .on de product ion (bentoni te du WYoMING).

Pour plus de clarté dâns cet ouvrage, nous appel lerons bentoni te, II 'ensernble des argi les à usage industr ie l , essent j .e I I ement conposées de Iminérâux du troupe des smect i tes.

!

unel a l

IIIIII

IlItIIIIIIIIIIIIIItIT

- 5 -

Tableau I - IfoEenclature des principaux ternes comerciaux ou régiotâuxappliqués aux bento[ites

I - ECOT{OUIE ET MIIRCHE

l.l - uarché français

Le marché français des bentonites est principalernent contrô1é partrois entrepr ises i Société Française des Bentot i tes et Dérivés, CECA etLaviosa.

1.1,1 - Répart i t ion du marché pâr entrepr ises lLa société Françaj -se des Bentoni tes et Dér ivés (SFBD) est une f i l ia le dugroupe allemand Siid-chemie et possède deux usines de traitement au Tréport( 7 6 ) e t à V i t l a r s , p r è s d ' À p t ( 8 4 ) . E l l e p r o d u i t a c t u e l l e m e n t e n v i r o n 5 5kt/ân de bentonj.tê pour fonderie, forage et travaux publics :

45 kt lan à I 'usine du Tréportl 0 k t / an à l r us ine de v i l l a r s .

Miné raIconst i tut i f

Termescollmerciaux

Termesrégionaux

smect l te Na bentoni te sodlquenaturel lebentoni te sodiqueart i f lc ie l1ebentoni te sodiqueact ivéebentoni te gonf lante

bentonj.te du Wyoning( USA)

bentonite (uK)

smect i te Ca bentonlte calciquebentoni te non gonf Lantebentonite blanche

Southern bentoni te (USA)Terre à foulon (USA, UK)

snect i tesmect i te

saponi tenétabentonlte

srnect i te Li , lG hector i te ( nature I le )laponite ( art i f ic ie 1l e )

smect i te H( traitenentacide )

terre activée acideterre décolorante

smect i te +mo 1écul. esorgani.quesgreffées

bentonite ortanophj.lebentone

- 6 -IIIIIITIIItIIIITIItII

( produi tsGrèce etprovj.ent

bentonl te1 I ac ide.

Les matériaux traités proviennent principalenent de SardaiËneseni-ouvrés fabriqués dans une usine appartenant à Sûd-Chenie), de

des USA (argi les brutes). Un faible tonnage, de l rordre de 7 kt /anégalenent de Ia carr ière de Réquiécourt , près de Gisors (Eure).

De plus, la Str 'BD commercial ise en Fra[ce, environ 25 kt /an defabriquée en RI'A par Sùd-chenie. dont 15 kt/an de terre activée à

La Société CECA, f i l ia le du Êroupe Elf Aquitai .ne produit actuel-lement 50 à 60 kt/an de bentoni.te dans trois usines :

- 35 à 40 k t /a t à Hon f leu r (14 ) ,

- 8 à 12 k t /an à Po r t l a Nouve l l e ( l l ) ,

- 6 à 7 kt /an au Bulsson (24).

L ' app rovisionnenent en argiles est essentieLlement assuré par desf i l ia les inplantées en Sardaj . tne et en Grèce. Ces art i les sont t rai tées dansles usines de Honf leur et Port la Nouvel le pour la product ion de bentonl tepour fonderie, forage et t ravaux publ ics. De plus, l rusine de Honf leurproduit des argiles déshydratantes et des bentones (bentonltes organophilespr incipalernent ut i l isées en peinture et obtenues à part l r de bentoni tesodique du Wyoning et drhector i te de Cal i fornie).

L 'usine du Buisson produit de la bentoni te calc ique à part i r dtuneargile extraite sur le plateau de la Bessède et principalement destinée auxmarchés de la nourriture ani"male, du traitenent des eaux et de la fonderie.

La Société Laviosa est une société italienne possédant une usj.nesl tuée à Portes les Valences (26). El le t rai te de la bentoni te en provenancede Sardaigne. La product ion est de 15 à 20 kt /an environ.

La Soclété Expansia (fillale des Laboratoires Beaufour) située à1' Is1e sur la Sorgue (84) produit environ 2 000 t /an de snect l te pure et dernélange attapulgite-smectite destinés principalement à I'industrie phartna-ceut ique.

Dtautres sociétés (négociants) conme rc j.alisent également de labentoni te en pet i te quant i té et en part icul ier :

- le Conptoir des Mlnéraux et Matj.ères Prenlères (CMMP Paris) repré-sentant exclusi f de American Col lo id I I à 1,5 kt /an de bentoni tes pourfonderie en provenance d'une usire s i tuée à Liverpool (produits à base debentonite ânéricalne ou du bassin néditerranéen) ;

- la société des Minerais de la Méditerranée (pâr is)1 à 1,5 kt /an de bentoni te américaine

- les Produits Bal lu-Schui l ing (Cl ichy la Garenne, 92)1à 2 kt /an de bentoni te pour fonderie produite à l rusine SFBDdu Tréport

ttIIIItIIIIIIIIIIIItI

- 7 -

- La société lko-France ( f i l ia le d 'une f inne al lenande)0,5 kt /an de bentoni te pour fonderie.

1.1.2 - Product ion francaise d'ar8i le brute

La product ion française drargi le brute ut i l isée pour la fabr lcat ion debentoni te est fa lble, el le est conprise entre 15 et 20 kt /an. Les carr ièressont s i tuées dans deux départenents, la Dordogne et I tEure.

- En Dordogne

La princlpale côrrière est située au lieu-dj"t Fronental à 2 km au Nordde Boui l lac. El Ie appart ient à 1a société CECA et al imente 1'usine duBuisson (product ion drârgi le brute de l rordre de 10 kt /an).Une autre carr ière est éÊalenent exploi tée de façon épisodique aulieu-dit les Brandes en bordure de la routeferrand du Périgord (product ion de l rordre

entre Cadoui.n et Mont-0 , 5 à I k t / a n ) . E l l e

D2de

appart ient à la société ARSIP (Argi les Rares et s i l ices Industr ie l lesdu Périgord, directeur : M. Lafaure). Ces deux carr ières exploi tent lesargi les vertes (3-4 m d'épaj .sseur) de l rol igocène infér ieur du plateaude la Bessède (product ion de bentoni te pour nourr i ture aninale pr inci-palement ) .

- dans I 'Eure

Une carr ière a été ouverte en 1985 au l ieu-di t Réquiécourt , sur laconnune de Cahaignes (15 kn au SW de Gisors) par 1a SFBD, suite auxtravaux de prospectlon nenés par le Servlce Roches et Miné raux Indus-tri.els du BRGI'I dans le cadre de Iti-nventaire du territoire rnétropoli-ta in (product lon 1986 de I 'ordre de 7 kt) . Une carr ière expérinentaleavait été ouverte en 1984. dans le merne secteur, sur la conrnune deFourges (prélèvenent drun lot drargi le de 3 kt et renise err état) . Lesargi les du sparnacien extrai tes sur 3-4 n d'épalsseur sont t rai tées àl tusine du Tréport pour la product j .on de bentoni te de fonderie, ett ravaux publ ics (en mélange avec drautres bentoni tes).

1 .1 .3 - Impor ta t i ons

Le marché français est essentielleûent approvisionné par des importa-t ions dt l ta l ie, de Grèce, de RFA et des UsA, sous forme drargi le brute, deproduit semi-ouvré ou de produit fini.

ces j.nportatj.ons peuvent etre estinées à partj.r des statistiques duCormnerce Extérieur de 1a France (Di.rection Générale des Douanes et Droitsindirects). Les bentoni tes entrent pr incipalement sous deux rubr iques :

25 .07 .60 ,0 : ben ton i tesCes importat ions concernent essent ie l l ernent les bentoni tes naturel lesentrant à l 'étât brut en France.

38.03.90.0 : mât ières ninérales naturel les act ivées

IIIITIIIIIIItIIIIIlI

90 kt80 kr

Le cot td e 6 X

- 8 -

Ces importations concernent essenti.e l l enent les befltonites activées(prodults f in is ou seni-ouvréa). Lrévolut ion en tonnage et en cottreprésenté sur la figure I nontre que le tonnage de bentonj.te importéest relat ivement stable. soi t :

de bentoni te brute,de bentoni te act ivée (produit f in l ou semi-ouvré).

de ces importations a augmenté à un rythme régulier de lrordrepar an, pour at te indre envi ron 140 MF en 1985-86.

Le tableau 2 montre que les bentoni tes naturel les proviennent pr incipa-lenent de Grèce, dr l ta l ie, alors que les bentoni tes act ivées sont surtoutlmportées d' I ta l ie et de RFA.

Bentoni tes nâturel les( 2 5 . 0 7 . 6 0 . 0 ) r

Bentonites actlvées( 3 8 . 0 3 . 9 0 . 0 ) r

1 9 8 5 1986 1985 1986

I tal ie

Grèce

R . r ' . A .

u . s ,A .

Autres Pays

3 2 . 6 4 1

3 9 . 7 5 9

6 . 8 1 6

10 .220

8 . 9 3 0

30 .497

3 7 . 4 7 2

O . / J J

2.297

I I . 062

4 8 . 5 1 3

2 5 . 3 9 3

842

9 . 1 3 4

46 ,796

3 . 8 1 0

24,320

I 980

TOTAL 9 8 . 3 6 6 8 8 . 0 6 l 8 3 . 8 8 2 83 .906

Tableau 2 - Inportations françaises de bentonite par pays, pour 1985 et 1986(statistiques du Comerce Er<térieur de Ia France)

1 .1 .4 - Expor tâ t i ons

Lês données statistiques concernant les exportations sont inconplètes(1es exportat ions sous 1a rubr i .que 38.03.90.0 étaient conf j .dent ie I les jusqu'àJanv ie r 1987) .

Mais d 'après les donf iées recuei l l ies auprès des entrepr ises concernées,cel les-ci peuvent être est imées à environ 20 kt /an et sont pr lncipalernent àdest inat ion de 1a RFA, I ta l ie, Belgique, Espagne, Portugal , Afr ique, Moyen-Orlent et Extrêne-or ient.

I

IlIItIIIIIItIIIIItIII

MFk t

- 9 -

- t l - - -a . -

.('

- - È - - { - - r

- t - " - - .

M Ft - - - - a ' -

/977 /9/8

k t -

f t F - - -

t979 /980 /9t1

impor ia i ions bentor i l tÊnaluîeltÊs (?5-07.60.01

/982 /98J /941 fr85 /986

kt - i ,npor tât lons benionl teHF - - - ac l lvees {38.03.90.0,

P&. f - Evolution des ioPortations françaisesstatistiques du comerce E rtérieur de

dela

be[tonite, draprèsFrance

- - a - - - 1 '

- 1 0 -

1.1.5 - Consorunat iol l apparente

El le a été est imée de deux manières pour 1986 (calcul en tonnateproduit f in l ) :

td e l

ICalcul d 'après la product lon

par entrepr ises

Calcul draprès la product ion*

par type d I argi le IITIItlI

S FBD

CECA

Laviosa

75-85 kt

50-60 kt

15-20 kt

5-10 kt

20 kr

Argiles f rançaises

Arglles brutes i-lnportées

Produits semi-ouvrés

importés ( I talie )

Produits f i.nls lmportés

Exportations

1 3 k t

6 2 k t

44 kt

37 k r

20 kr

divers

Exportations

consonmation

apparente 1 2 5 - 1 5 5 k t

Consonrnation

apparente 1 3 6 k t

*Le tonnage de produit fini a été calculé en djrinuant de 30 X le

tonnage des artiles brutes et de lû U le tonnage des produits seni-ouvrés

(données SFBD) à cause des per tes dteau lors du t ra i tement .

Ces deux estinations sont concordantes et montrent que la consofi[Ttâtion

f rançaise de bentor i te a été de l rordre de 140 kt en 1986 ( expr j .née en

Produi t f j .n i ) . La répar t i t ion de cet te consomnat ion en fonct ion des ut l l isa-

t ions est donnée dans le tab leau 3.

tIIIIItII

IIIIIIIIITIIltIIIIITI

Uti l isat ionTonnageconsonné

Pourcentageconsornrnationtota le

Fonderle

Travaux publics

Terres déco lorântesact ivées à 1r acide

Alinentation animale

Divers : forage, céramique,bentone. argi le déshydra-tânte, phar-nacie, cosnét ique

80 kr

30 kr

15 k r

7 k t

8 k r

60 7.

2 0 ' (

10 7"

5 Z

È , 9

Tebleau 3 - Estinatlon de la répartition de la consomation en fonction desut i l isât ioBs ( f986).

la foaderie const i tue, en ton[age, le pr incipal secteur drut i l lsat iondes bentonites et une base stable pour ce mârché maleré des risques def léchissement l iés à la décroissance du nonbre de fonderies. à la vétusté decertaines drentre el1es ( fonderies autonomes), à la fabr icat ion de pièces àl'étranger et à La nise au point de nouveaux procédés de moulage sans ben-toni . te.

Le narché des travaux publies est beaucoup plus capricieux (son volumedépend de l rouverture des gros chant iers).

Certains secteurs sont en forte décroissance (consomrnation de bentonitede forage très faible) ou ont disparu (consomnation de bentoni te pour lebouletate du minerai de fer arrêtée depuls la fermeture de 1'usine de Segré).

1 .1 .6 - N i veau des p r i x i

Les prix de vente 1987, départ usine ou entrepôt, connuniqués par lesentrepr ises sont Ies suivants :

- Fonderie : 600 à 800 F/t pourd t I t a l i e , Grèce , RFA)

1 0 0 0 à 1 s 0 0 F / ramé ricaines

- 1 l -

les bentonites aetivées en provenance

pour les bentonltes sodiques naturelles

- Travaux publics | 700 à 800 F/t

- 1 2 -

- Autres usages

. ârgiles blanches pour céranj.que : I 500 à 2 000 F/t

. bentones (bentoni tes organophi les) : 20 000 à 30 000 F/t

. bentonite pour phannacie et cosnétique : 40 000 F/t

1.2 - Production noudiale

La product j .on nondiale de bentoni te étai t d 'après le tableau 4, deI 'ordre de I MT en 1985 (non conptées les product ions de la Chine, de I 'URSS,de la Yougoslavie et du Canada).

Cette product ion est assurée pr inclpalement par les Etats-Un1s (50 U ) et1 'Eu rope de l r0ues t (25 Z l .

1.2.1 - Pr inci .pales sociétés productr i .ces

La liste des principales entreprises productrices est donnée pour chaquepays en annexe.

1 . 2 . 1 . 1 - E t a t s - u n i s

Le6 tisenetts de bentonite sodique naturelle sont situés dans le Nord-Ouest, principalenent au l.Iyoming, rnais aussi dans le Montana et le sud-Dakota(cf . f ie. 2). La product ion est doninée par s ix sociétés :

- Anerican Colloid Company : capacité de production de bentonite NanatureLle supérieure à 1400 kt /an grâce à ses usines de Bel le Fourche, Upton,Lovell, Malta et Colony (autres usines de 500 kt/an de capacité notaffrent àAberdeen, Mississippi et Sandys Ridte, Alabana).

- la division Baroid de NL Industries : usites à Colony (900 kt/an decapacl té) et Lovel l pour product ion de bentoni te de forage

- Dresser Industr ies Inc ; exploi tat ion à Greybul l (430 kt /an de capaci-té) pour product ion de bentoni te pour bouletage de minerai de fer et forage.

ltIIItIIIlIIIIIIIIII

IltIIIIIIIIIlIIIIItII

- 1 3 -

Production en kt 1984kt

1985*

Amé rique du NordEtâts-Unial'{exique

Anérique du SudArgentineBrési1PérouGuatémôla

Europe de I rouestRFAGrèceI ta l i eGrande-BretagneFranceEspagne

Europe de l 'EstHoîgriePo logneRournanieChypre1\rrquie

AfriqueA1eérieMarocEgypteZimbab$eAfrique du Sud

uoyen-0rientIsraë 1I ran

Asie-OcéanleIndePakistanJaponPhi l ippinesNouvel le-ZélandeAustralie

TtlTAL

9903 1 3

852013 2

9

600**I l é

3 1 4286

107 1

6470

180? t

28

283 5

7042

61 0

1502 l

4 1 038

630

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932299

95200

9

600**750304299

I J

60I )

1805 228

2936

J

7044

10

150l 9

46t,

J U

868

lableau 4 - Estioation de la production nondiale de bentonite, d'aprèsllinerals Iearbook 1985 (Us Eureau of }finee )* Données part ie l lenent est imées

** d 'après est imat ion Industr iâ l Minerals, Dec' 1985.

- 1 4 -

lIITtlIIIIIII

TIIII

IIFiture 2 - Carte de localisation des prircipaux gisements de bentonite des

Etats-ULis (draprès Industrial ll inerals and Rocks, 1983)

"""" IGRïI#-- l- " ̂ ."1--*---

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FUtL€R S tARrH (Snectite

\ to,n.r6n coÉtr'4'.9

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o ProducEt d$lrEt

O {nor or rôxnv. d'strlcl

ca)

TIIIlIIIII

- 1 5 -

- l'ederal Ore and chenical Inc : exploitations à Colony et Upton(capaci té 450 kt /an), product ion essent iel lement dest inée êu bouletage duminerai de fer.

- Kaycee Bentonite Partnership : câpacité de production de 600 kt/an debentonlte de liyoxûint essentiellenent destinée au bouletate du ninerai de fer.

- I'lyo-Ben Inc ; capâcité de production de 750 kt/an de bentonite dullyonlng.

Les principaux tiseoents de DentoLite caLcique sont situés au Sud(Mississippi , Alabana, Mlssouri , Géorgle, FLoride, Texas ) et soÏ l t pr incj . -palenent exploi tés par deux sociétés :

- OiI Dr l Corp. of AnericaElle possède der:x exploitations de 250 kt/an de capôcj.té à Riplay

(uississippi) et ochlocknee (Céorgie). De plus, el le a repr is I 'exPloi tât iondrochlocknee qui appartenait à Anschutz Corp. Les gj.senents si.tués en GéorBiesont des produits inpurs constitués par un nélante de snectite Ca, dratta-pulgi te, kaol in, diatoxdte.

- Lowets Inc.El le possède cinq exploi tat ions sj . tuées au Tennessee, Mlssouri . , I l l i -

nois, Cal i fornie (500 kt /an de capaci té).

Les matériaux exploités par ces deux sociétés sont utllisés pour IaI product ion dtabsorbants pour l r industr ie, l 'agr j .cul ture et pour l1t ièrest ânirnales.

Au Texas, southern clay Products Inc. (filiâle Engllsh china clays)fabrique principalenent des produits haut de garme (bentonite blanche raffi-née pour pharroacie, cosnûéti.que et céranique, beûtonites dopées par desproduits organiques utilisées en forage et pour la fabrication de peintures,encres, t raisses, et adhési fs ) .

D,ans I touest des Etats-Unis (Californie, Nevada), il existe égalementI des exploitants de bentonite Ca, parrni lesquels on peut citer l,lilbur -r El l is co, R.1. Vanderbi l t co, Indûstr ia l Mineral ventures:

I - R. T.__yÊ!qel!i_l! est spécialisé dans Ia production de bentoniteI blanche porlr cosmétaque, et pharmacie (produits veegun).

t - Industrial Minqr4l Ventures exploi.te un gisement drargile conposée de

t b e n t o n i f f i , h e c t o r i t e e t s i t u é à I r n v i t e ' A m a r t o s âval ley, Nevada (product ion drargi les spéciales pour forage, charges, suspen-s l o n s . . . r .

Le pr incipal gisenent rnondial d 'hector l te (bentoni te Li-Mc) est égale-rnent s i tué dans I t0uest, près de Hector en Cal i fornie (hector i te assoclée àde la calc l te). I1 est expLoité par NL Industr ies, en part icul ier pour laproduction de bentones.

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- 1 6 -

L2.1 .2 - Europe

Les princlpaux gisenents en exploitatiot sont situés dans cinq pays, LaRFA et I rAncleterre au Nord, l r I ta l ie , la Grèce et l rEsPagne du Sud.

La position doDinante est tenue par le Êroupe allenand siid-cheeie AGdont l rus ine s i tuée à Moosburg, près de Munlch (capacl té de product ion :700 kt /an) t ra i te de Ia bentoni te Ca proveûant de p lus ieurs local i tés deBavj.ère. Elle produj.t non seulement de la bentonite sodique princiPalenentpour fonderie et t ravaux publics, maj.s est aussi spécialisée dans la fabrica-t ion de terres décolorantes act ivées à l rac j .de. El le possède de nonbreusesf l l ia les en France (soc iété Françalse des Bentoni tes et Dér ivés) ' en l taL ie(s i id-Chenle I ta l la SpA) et au l tex ique (Qulmica Surnex) . De p lus, e l le a

racheté en 1986, l tus ine de Duisbourg qui appar tenai t à Aner ican col lo id .

Le principal producteuï du Royaune-Irtri est la société LaPorte lîduatrieaqui explà i te de la ter re à fou lon à Redh1l l (sÙrrey) et Baurk ing (oxford-

shi re) pour la product ion de bentoni te Na ( fonder j .e , foraBe' T.P ' ) e t de

l i t ière aninale (capaci té de product j .on des deux us ines : 250 kt /an) . LrÙsine

de Baulk ing a été rachetée à Bret t Bentoni te Ltd. E l le possède égalenent une

usine à t{idness (cheshire) spécialisée dans la production de terre activée à

I 'ac ide et de laponi te (hector i te ar t i f lc i .e l le) . Par sa f i l ia le l l inas de

cador SA (100 : Laporte), elle donine le narché esPattrol I carrières de

bentonite Ca dans les ré8ions d'Alnerla et I'{adrid, de saponj-te Près de

Tolède. Cet te doninat lon a été renforcée par un accord s igné avec la soc lété

Tolsa (ll inas de Gador produisant seulenent de la bentonlte, Tolsa produisant

uniquerûent des argiles fibreuses ) '

Les tise[ents italiens sont concentrés sur la bordure ouest de lasardaigne. La production est donj.née par la société Iûdustria Chj.Eica CârloLaviosa SpA. La plupart de la production quitte la Sardaigne sous iormesemi.-flnie pour etre ensuite traitée à Livourne. Cette usine reçoit étalementde la bentonl te de Grèce, explo i tée par une f i l la le (Medj" terranean Bentoni teco) . E l le possède également une us ine en France (Por tes les va lences) . Labentoni te de sardaigne est éta lenent explo i tée par des f i l ia les de sociétésétrangères : CECA I ta l iana SPA, Si id-Chemie I ta l ia SpA, Baro id In ternat ionalspA.

Les elrploitôtions ale Grèce sont situées sur lille de Milos' Le princiPalproducteur est s i lver and Baryte ores Minint co (400 kt /an de eapaci té) dontItactivité a progressé grâce aux export.ations de bentonite Pour bouletage deninerai de fer vers le Catôda. Les autres producteurs sont Mykobar Mining CosA (f i l ia le de Dresser, UsA) et Mediterranean Bentoni te Co Ltd ( f i l la le deLaviosa, I ta l ie ) .

Les argiles exPloitées en Europe sont Princj.palenent des bentonitescalciques naturel les transfonnées en bentoni tes sodlques Par ajout de cârbo-nate de sodiun. I l fâut aussi noter I 'existence de gisenents de bentoni teblanche en Grèce et en Turqule et de bentoni te sodique naturel le en Turquie.

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- 1 7 -

1 . 2 . 1 . 3 - A u t r e s p a y s

La prûduction du Japon était de lrordre de 450 kt en 1985. Deux types degisements sont explo i tés : des bentoni tes Na et des bentoni tes H nature l les.Les principales conpagnies sont Kunini.ne Industries Co Ltd et Hojun Kogyo CoLtd (bentoni te pour fonder ie, T.P. , e tc . ) . Mizusavra Industr ia l chemicals Ltdest spécia l isé dans la product ion de terres act ivées à I 'ac ide.

La production de Irlnde (150 kt/an environ) est principalement assuréepar 1rétat de Gujarat. Les princlpaux producteurs soût Ashapura Mineche!û Pvt.Ltd. , Kùtch Minera ls et Ginpex Pvt Ltd.

1.2.2 - Evolut ion de la product ion nondia le

Le graphique de la figure 3 rnontre que cette production a atteint 8'4 Dlten 1981, a chuté a 7 Mt en 1982-83 pour remonter à 7,8 l ' { t en 1984-85.

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Pigsre 3 - Evolution de 1ô Production roondiale de bentonite, d raprès ltlneralTearbook (statistiques du Bureau of ui.Des - usÂ)

I- 1 8 -

2 - GEOTOGIE

2.1 - ltinéralogie

2.1.1 - Structure cr j .stal l ine et morpholo8ie

Les bentonites sont des argiles essent ie I lernent composées de ninéraux dugroupe des smectites,

Les smect i tes sont des phyl losi l icates dont le feui l let élémentaire estconstitué par une couche oct.aédrique conprise entre deux couches tétraé-dr lques (phyl losi l icâte 2lL, cf . f ie. 4). El les se caractér isent par uneinportante var iat ion de 1iéquidj .stance entre les feui l lets en fonct ion dudegré d'hydratat ion (arÊi les gonf lantes). El les se div isent en deux fami l-l es :

- les atrectitea trioctaédriqueÊ dont toutes les cavités octaédriquessont occupées par un cation Mgz+ i

- le6 sûectites dioctaédriques dont seulement deux cavltés octaédrj.quessur 3 sont occupées par un cat ion Al3+. De plus, i l existe des subst l tut j .onsentre catj.ons situés en position octaédrique ou tétraédrigue entralnantI tappari t ion d'un déf ic i t de charte var iant entre 0,4 et 1,2 e /mai l le.

ce déficit Joue un rôle fondamental dans les propriétés des snectitescar il pennet Iê nj.se en place de cations compensateurs (généralenent Ca2+Na+, ou I'lg2+) situés entre les feuillets et facilexûent échangeables(capaci té d 'échange de cat ions ou cEc élevée).

Le troupe des sûectitea dioectédriques (cf, tableau 5) colûprend unesérie quasl-continue de oiné raux dont les tenoes extretnes sont La Doltm-rilloûite (substitutions uniquenent dans la couche octâédrique) et la beidel-lite (substitutions unj.quemeût dans lâ couche tétraédrique). La noûtron:iteest une beidellite contenant du fer en position octaédrique (en remplacementde I'alurniniu[) .

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- 1 9 -

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Parni les snectites trioctaédriques, on peut citer en particulier 1âEaponite (substitution t.étraédrlque de Si par Al) et 1'hectorite riche erlittlirl[ (substitutlon octaédrique de l'la par Li).

Les crj.staux élémentaires de smectite ont des formes varj.ées (Iattes,lamel les polygonales ou à contours i r régul iers) et const i tuent des aÊrégatsde types di f féreûts : g lobulaires, f t roussus, lanel la ires ( fol iès,conpacts rét iculés ) .

2.1 .2 - Nâture des smectites des princj.paux gisenents de bentonite

Les snectites des gisements en exploitation ont généralenent une conpo-si t ion intennédiaire entre nontmo r i . l loni . te et beidel l i te. Des bentoni tes àcomposition de rnontnorillonite pure sont connues (Cheto en Arizona, Otay encalifornie, Nutfield au Royaune-Uni). Par contre' on ne connalt Pas parmi lesprincipaux gisenents exploités, de bentonite conPosée de beidellite pure.Certaines smectites (gisenents de Challao et Las He ra.s en Argentj.ne, Usui auJapon, province de Nâtal en Afrique du Sud) ont une fêible teneur en Mt cequi laisse toutefoj.s suPPoser une cornposition Proche du pôle beidellitique'

Les autres types de smect i te sont rares (célèbre t isenent drhector i te deHector en Cal i fornie ) .

Les cations interfolj-aires de la plupart des bentonites brutes soûtprincipalement constitués de calclun (bentonite calci.que). Mai.s Ie sodlunpeut aussi être prédominant (bentonite sodique naturellê) cof,une dans lescélèbres gisenents du wyorni.ng (UsA) et dans d'autres gisements signalés auCanada, en Argentj.ne, en Turquie, en Inde, en Afrique du Sud, en Australie etau Japon.

I Lorsque les teneurs en fer sont très faibles les bentonites sont alorsde teinte blanche (tiserûents aux USA, en Grèce et en Turquie).

2.2 - lypes de gisenerts

2 .2 .1 - Or i t i ne vo l can ique (d 'aDrès R .E . Gr in e t N . G tven ' 1978) .

La plupart des gisements de bentoni te sont issus de 1'al térat lon in s i tude cendres volcani.ques en rnilieu aqueux. Mais 115 Peuvent aussi avoir dr-autres origines (altération hydrothermale ou deutérique de roches volcani-ques ) .

- Altération de cendres volcanlques en milieu aqueux

cette or i .g j .ne est conf i r Ï [ée par la présence draigui l les de verre etautres structures rellques de la roche-nère, par la nature des !ûiné raux nonart i leux assoclés { feldspath, mica, pyroxène, magnét j . te . . ' ) , 1 'absence deni.néraux détritiques et le passage à des niveaùx de cendres ou tufs voLcani-ques non al térés.

- 2 2 - IItIIIIIlI

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Ce node de genèse, le p lus f réquent , est ce lu i des g isements de ben-tonite du Wyoning et du Montana et de la plupart des autres gisements desUSA. Crest aussj . ce lu i des g isenents s i tués en AnÊleterre, RFA, URSS, Hon-grie, Youaos lavj.e, Japon, Maroc, Argentine, Nouve I le-zé lande , Afri.que du Sud.

Le milieu de dépôt des matériaux volcaniques est très variable (rûarin,lacustre, lagunaire) et les roches associées sont de natures diverses.Lraltération en nilieu rnarin peu profond senble toutefois Ia plus commune. Lanature des cendres est aussi t rès var iab le ( rhyol l te , dac j . te , t raehyte . . . ) .

Le processus dta l térat lon comprend les pr inc ipales phâsÊs suivantes :dévi t r i f lcat lon, hydratat ion et cr is ta l l isat ion des srnect i . tes. Cet te a l téra-tion est généralènent contemporaine du dépôt des cendres en nilieu âqueux. Lacr is tobal i te et les zéol i tes n ises en év idence dans cer ta ins dépôts n 'é ta ientpas présentes lors de ce déPôt mais ont cr is tâ l l isé, co lu[e les snect i tes 'après la phase de dévit rification.

La nature des cations échangeables est lj.ée à Iâ conposition des cendresor ig inel les et déf in ie le p lus généra lement lors de la cr ls ta l l isat j .on dessmect i tes,

Exenple : description du tiseDent de bentonite de Black Hills (HyoDina,Hontana, Sud-Datota).

Les couches exploitables sont j.ntercalées dans une série IDarine consti-tuée dfarg i l i tes, narnes et sables arg i leux drâge Crétacé. I I peut ex is terlocalernent Jusqu'à 20 couches de bent.onite dont ltépaj.sseur varie de quelquescm à 3 n. Les couches les plus épalsses sont litées et représentent uneséquence de cendres volcaniques. La base des horizons bentonitiques estgénéralement bien rnarquée (niveau de chert). On supPose que les cendresvolcaniques oritlnel.les étaient de composition rhyolltique. Des fragnents deverre non a l téré, des cr is taux de quar tz , fe ldspath, b iot i te sont Présents.La cristobalite peut atteindre, dans certains niveaux, des teneurs supérj.eu-res à 25 Ë. Mais la snect i te const i tue généra lenent p lus de 90 E de la roche.

. Le nj.veau productif le plus coînu est appelé "clay spur", il est situédans la partj.e supérieure du "Howry Shale" (somrnet du crêtacé inférleur). sonépaisseur est corûpr ise entre 0,7 et 1 ,2 m et i l est const i tué dè snect i tesodique (c f . f le . 5) . Dans d 'autres n iveaux, le cat ion absorbé est du cal -cium.

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Figùre 5 - coupe géologique dans le niveau "Clay SPur Betrtoniterr(draprès Patterson, 1955 )

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- 23 -

- Altération hydrothermale de roches iBnées

ce mode de genèse a été proposé pour des tisenents sltués en Algérie,Espagne, Grèce, URSS, t{ongrie, Rorûnanie, Japon, etc. La nature de la roche-nère est var iable i rhyol l te, t rachyte, andésl te-basalte ) et sa texture esttrès bien conservée dans la bentoni te. La smect i te est généralement le seulminéral const i tut i f , nais el le peut être parfois âssocj .ée à dtautres ninérauxprésents en pet i te quant i té (kaol in i te, hal loysi te . . . ) . Certains gisementsnontrent une distr ibut. ion eonale de l ral têrat ion (centre plus al téré). Lagrande profondeur dral térat ion et I 'absence de var iat ion vert icale de lacompositioû ninéralogique pernettent de supposer que ces gisements ne sontpas issus d'une altération météori.que. Ce mode de forl|Iation est celui envisa-Àé pour I'hectorite drgector en Californie qui serait i.ssue de la réactionchimique de fluldes chargés en lithium, fluor et slliclun sur des carbonates.

- Altération deutéritique de cendres volcaniques

cette altération correspofld aux srodj.fi.câtions subies par une roche ignéesous lraction des gaz provenant du matma, iffiiédiatenent après sa rnise enplôce. I1 n 'existe pas de démarcat ion nette entre ce tyPe drâl térat ion etl ral térat ion hydrothernale. Touiefois, certains Êisements de bentonl te 'semblent etre essent iel lenent issus diune al térat lon deutér ique.

E:(eûples:

. Bentoni te issue de I 'a l térat ion d'une lave ger l j . t ique (rhyol i te

vitreuse) située dâns une séquence volcanique du "Karoo System" (Lias) ets 'étendant du Mozambique Jusqu'en Afr ique du sud : l ra l térat ion en smect i teest t rès i r régul lère (nodules d'argi le dans la per l i te) et srest probablernentconcentrée dans les zones à forte teneur en gaz (el le ne semble Pas enrelation avec un réseau de fractures).

. Bentoni te de Uri en Sardaigne ( I ta l ie)bancs lenticulaires enfennés dans des lavest e s ) .

- Altération météoriqgq

: la bentonite constitue desnon arEiilisées ( t rachy-andés1-

La genèse des gisenents de bent.onj.te par altération nétéorique de rochesvolcanj.ques se ble rare. Ce type d'altération conduit ténéralement à desrûélanees de ninéraux argileux ( smectite-hal loysite , par exenple).

Hais ce type dral térat ion Peut se sur inposer sur des gisements Préexis-tants. Il. aurait , en particulier, permis la fofiûatiott des bentonites natu-rel les êcides explol tées :

- Au Japon (préfectures de T4rn4€4!4 !! I1lCe! j

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- 2 4 -

- à Penbina (Canada) :

Les niveaux de bentonite sont intercalés dans des argil.es pyrlteuses etorganiques. L'oxydation de la pyrite a engendré la production dtaci.de ayantréaci sur la bentoni te.

2,2.2 - or ig lne sédimentaire

Des snectites peuvent se former par pédogénèse dans certaj.nes condltions(mj.1ieux conf inés basiques), être nobi l isées et concentrées par l 'érosion etle transport puis déposées sous forme de couches sédimeûtaires exploitablesdans des bassins continentaux (glsements sédirnentaires de faciès détrj.tique).

Un exemple de ce type de gisenent a été mis en évidence par le BRGM dansle sparnacien du Bassin de Paris. Durant cette période, srest indivj'dualiséle bassj-n des argi les plast j .ques (cf . f ie. 6) caractér isé par uûe di f féren-clation ninéralogique :

- doninance de snect i te à l 'ouest, secteur où a été nenée la prospec-t ] . o n ;

- doninance de kaol in i te à l 'Est.

Cette sédinentatj.on argileuse aurait essentlellenent pour oriÊinelrargi le à si lex issue de l ral térat ion de la craie du crétacé. A l 'ouest duBassin de Paris, la craie est très rrche en silex et présente une grandeextension. son altérat1on, eÏl nilieu basique a conduit à la fonnatlon desmectites à partir des ârgiles de la craie, nais aussi probablement à partirde Ia s i l ice des si lex.

A la suite de nouvenents tectoniques (fin Thanétien-début Sparnacien)ayant ravivé l térosion, I 'argi le à si lex a été mobi l isée et t r iée : lessédinents grossj.ers ont été bloqués par des anticlinaux alors que des artilesont passé ces barrières pour s'accurnuler dans le bassin des argiles plasti-ques (les ondulations tectoniques ont pu favoriser lrexistence de bas-fondsfavorables à la cr istal l isat ion des smect i tes).

Rappelons que suite aux travaux du BRGM, une carrière de bentonite a étéouverte près de Gisors (Eure) par la Société Française des Bentoni tes etDé rivés .

Mais les smectites qui se déposent dans ces bassins contiûentaux peuventaussi se transformer progressi-vement selon les conditlons de dépôt. Ainsi,N. Trauth (1977) a rnis en évidence dans des bassins tertiaires, une séquencecéochirDique des nlnéraux argileux au fur et à nesure de lrévolution de Iasédimentêt ion d'un pôle détr i t ique (smect i te AI, Fe hér i tée) vers un pôleévapori t ique (cf . Fig. 7). Cette séquence peut sror ienter dans deux voies :La voie at tapulgi te-sépio l i te (argi les f ibreuses) ou la voie saponitestévensi te (smect i tes Mg en feui l lets) en fonct ion du rapport s i l ice ensoluti.on/lG disponible dans le mj.lleu (si ce rapport est faible, la voiesnect i te est pr iv i légiée).

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- 2 5 -

6 - Répartitio! paléotéotraphique descietr inférieur (d'après !t. fi l lRÏ,

faciès sédiûentaireË du SParûa-C. CAVELIER et tt. SAlIUl, 1977)

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Cette évolution peut conduire à des gj.senents de sxnectltes magnésiennes.Ainsi le ghassoul exploité au JbeI Ghassoul au !{aroc est essentiellenentconstitué de saponite !G et de stévensite. Il constltue des couches interca-lées dans une sédinentation à caractère évaporitj.que ( do lomite-eypse ) avecdes passées détr i t lques sab lo-argi I euses. Draprès N. Trauth (L977' , , cessmectites seraient le résultat de la transformation de ninéraux arcileuxpréexistants (saponi. te) et d 'une néoformation (stévensi te).

3 - PûOPRIETES ET IITILISATIONS

3.1 - Relationa structure cristalline - propriétés

Les propr iétés Part icul ières des snect i tes découlent de leur stmcturecr istal l ine (cf . chaPitre 2.1). Ces minéraux sont const i tués de feui l letsélénentaires d'épaisseur 10 A faiblement l iés entre lesquels I reau pénètrefaci lement (art i les gonf lantes). L 'eau f ixée à la surface des feui l lets estorganisée selon un réseau hexatonal (liaisons du type hydroeène). En consé-quencer ces argiles peuvent etre disPersées dans I'eau sous la forme de trèspetites partj.cules (forte surface spécifique). Ces particularités du systèmeeau-snect i te sont à l ror ig ine de la Plupart des ProPriétés des bentoni tes :v iscosi té, th ixotropie, plast ic i té, retrai t -gott f leneût, Pouvoir l iant . . .

Ces propr létés var ient beaucoup seloI l les types de snect i te et enparticulier en fonction de la nature des catiotrs interfoliai-res. Coûnme cescations sont échânteables, certaines propriétés des smectites Peuvent etreobtenues par un tralteûeût approprlé.

Ainsi, Ia plupart des bentoLite6 calciqueÉ naturelles sont transfoméesen beûtoûites sodiques arÈificielles par ajout de carbonate de soditn lors dela fabrication (échange ca++ - Na+). En effet les bentonites sodiques présen-tent généralerûent de neilleurs caracté ristiques (pouvoir llant, vlscosi-t é . . . ) e t l es g i sene t t s de ce t ype d 'a rg l l e son t ra res .

Des snectites sont éÊalernent rendues organophiles par treffaae decations organiques.

Le tableau 6 regroupe les principales utllisations des bentonites enfonction des proprlétés physlco-chiniques des smectites.

3.2 - Utilisatioû deÉ ùentonites calciques

Les bentonltes calciques constituent 1a plupart des giseneûts exploitésdans Ie rnonde ( Ies autres types de bentoni te sont rares à l rétat naturel) .ces argi les ont tout drabord été ut i l isées pour dégraisser la la ine ( terresà foulon) mais cet emptoj . à prat lquenent disparu. El les sont encore ut i l iséesconme absorbants : charges pour pesticides, litières pour animaux, absorbantsde sols industr ie ls. El les conviennent également pour le bouletate de lanourr i ture animale.

A part i r de bentoni te calc ique naturel le, qui cont ient essent iel lenentdes ions Ca++ en posi t ion interfolalre, nais aussi d 'autres cat i -ons enquantité noindre, on produit aussi une bentonite exclusivenent calclque très

IIIIIIIIIItIII

- 2 8 -

Ir l lcau 6 | Princip. l .s l lpl icàt ions co.rtrci . l rs dr la bcntonitc.n r. let ion rr lc srs propriétÉs physico-chir iqurs (dreprls J. â. El l l

in D. lll6llLEI, 1972)

1 - Capac i té d téchange de ca t i ons

2 - P rop r iÉ tÉs d rabso rp t i on e t d radso rp t i on(peuvent t t rs accrurs par t râi terent acide)

2 .1 - en suspens ion

IIIIIIIIIIIIItIIIIII

? .2 ' à sec ou en oâ te

3 - Surface spÉcif iquê (peut- ! t rë eccrueDar t fa i terent acide)

1 - P rop r i é tés rhéo log iques ( rod i f i ca t i ondes p rop r iÉ tés d 'écou le ren t en r i l i euf l u idc )

4 .1 - pouvo i r de v i scos i té e t desuspens i on

4.2 - th ixo t rop ie

5 - I rper réab i l i tÉ , p ro tec t ion

6 - pouvo i r l ian t

prÉparat i on de srcct i te sodiqueprÉparat ion de srec t i te organophi ie

ra f f i nage e t déco lo ra t i on des hu i l esc la r i f i ca t i on e t p r r i f i ca t i on du suc re ,des s i rops e t v inspu r i f i ca t i on de I ' eau , t ra i t e ten t deseaux dr Égouts êt êf f lurnts

p rêpa rat i on pharrecrut ique outhérâDcut iaurabsorbànt (nettoyage des sols drusinc'I i t i è res an i ra l es )

ac t i on ca ta l y t j qu r ( suppor t pou rcâtal yses)support pour inscct ic ides et fongicidescha rges r inérales

boues de foragepe in tu resvapo r i sateur drengraisé ru l s i ons de b i t u reforrulat ion de fondants pour cérar ique

rurs de foragegén ie c i v i l ( vo i l es )pe i nture ne coulant pas

g6n ie c i v i l ( j o i n to iucn t )forage en terrain petréabl e

l i an t des sab les pou r rou les de fonder iebou le tage du r i ne ra i de fe r c t desâ l i r en ts pou r an i raux

fo r ru la t i on de ro r t i e r , ras t i c , adhés i fet de certaines pâtes cérar iques.

i - P lâs t i c i t é

Il

IIIII

- 2 9 -

I absorbante et utilisée conrne artile déshydratânte (elle concurrence les gelsI de s l l i ce ) .

I Mais la plupart des bentonites calciques extraites du sous-sol sont

I transformées en vue de la prodnction de bentonite sodique artificielle et debentonite activée à 1 | acide.

3.3 - Utilisations des bentonites sodiquea (naturelles et artificielles)

Ces bentoni.tes sont prj-ncipalenent utilisées pour leur pouvoir liant etleurs propr iétés rhéo logiquês.

3.3.1 - Ut i l isat lons en fonct i -on du pouvoi.r l lant

Ces bentonites sont utilisées pour la fabrication de noules de fonderieet le bouletâge du mineraj. de fer. Le pouvoir liant est en relation avec laeurface Epécifique élevée de ces artiles qui Pen0et d'enrober des petitespart icules avec une faible quant i té d 'argi le et , en présence dreau, de l ierItensemble en une nasse ritide.

- Fabrication de noules de fonderie

La bentonite est utillsée pour lier du sable généralement siliceux.0n obtient ainsi un nortier appêIé sable de noulage contenant environ 8 Zde bentonj.te et qui pernet la réalisation de rnoules dans lesquels est couléle métal en fusion ( fonte, acier. métaux non ferreux, etc). Lorsque le métalest refroidi , le moule est désagrégé et les pièces sont récupérées (c 'est Iedécochage). Le sable de moulâÊe n'est généralernent Pas uû sable neuf, nais lesable récupéré au décochaÊe, envoyé dans un rûalaxeur où il est réhunidifié etdans lequel on ajoute 0,5 f environ de bentonite (correspondant à la ben-tonite détruite sur la bordure interne du noule en contact avec le nétal enfusion et nrayant plus de pouvoir de l ia ison).

- Bouletage

Le bouletage du minerai de fer per et le traj.tement des ftinerais PUI-vérulents et des concentrés trop fins (rninerais broyés et enrichis Parf lot tat ion) pour etre âaglonérés sur gr i l le. Les boulet tes sont préparées para d d i t l o n a u n l n e r a i d e 0 , 5 l à l l d e s n e c t i t e e t d e 8 - l 0 [ d t e a u , p u i scul tes dans des fours vers l250oc.

3.3.2 - Ut i l isat ions en l ia ison avec les propr iétés rhéolo8lques

Les particules argileuses Placées dans lreau fornent des suspensions auxpropriétés rhéologiques renarquables. En effet, ces particules sont chargéesnégativement sur leur surface et positivement sur les bords. si la suspenslonnrest pas trop r lche en argi le, ces part icules stor ientent et const i . tuent unte l ( c f f i t . 8 ) . S i l r on ag i te ce ge l , l es fa lb les l i a i sons é lec t r i ques secassent et la suspension devlent un fluide de haute viscoslté. Cette proprié-té réversible, appelée thlxotropie, est ut i l isée en forate et Pour lest ravaux publics.

ITIIIIIIIIII

t- 3 0 - I

IFiture I !particules

ortaûisation eB gelde sûectite sodique

suspetrsion

deen

IItItIIIII

- Boues de forage

La bentonite sodj-que est mise en suspension dans lreau pour la confec-ti.on de boues essentj.el I ement destinées au foraBe rotary {recherche pétro-

l ière) . Grâce à sa v lscosi té é levée, cet te boue t ransPorte les cut t in8s versla sur face. En cas d 'arret , e I Ie const i tue un gel qu i empêche les cùt t ings etautres charges ninérâIes entrant dans la conposition de la boue (baryte) destaccunuler au fond du forage.

Cet te boue pernet également de créer un revetement étanche (cake) , surles paro is du forage, de nainteni r ces paro is et de lubr i f ier I 'out i l deforage ( t répan) .

La bentonite sodique convient pour les sùspensions en eau douce. Lors dela t raversée de terra ins sa l i fères, 1 l est nécessai re drut i l iser uûe bouesaturée en sel à base drat tapulg i te ou de bentoni te dopée à 1 'a ide de pro-

dul ts or8aniques ( la bentoni te seule f locule en n i l j .eu salé) .

- Travaux pùblics

La bentoni" te sodique est pr inc ipalement ut iL lsée pour la créat ion defondations spéciales : au fur et à rnesure du creuseneût dtune excavation, on

I

tI

IIIII

IIIIItIIIIIIII

IItII

II

- 3 1 -

in jecte une boue à la bentoni te qui a pour ef fet de malntenir et d ' lmper-néabi l iser les parois ( les Part icules provenant de l rextract ion sont écale-ment maintenues en suspension). Le béton est ensuite injecté au fond delrexcavat ion pâr un tube préalablenent bouché au plâtre. Lors de l r in lect j 'ondu béton, le tube renonte progressivement et la bentonlte est PomPée. Cettetechnique est utilisée par exernple, pour les fondat.ions drinmeubles.

Lors de la création dtécran drétanchéité (non surmontés par une cons-truction), on utilise directement des coulis autodurcissables constitués parun nélange de bentonite et de ciment. Des enceintes impennéables sont ainsiréal isées à I ' intér ieur desquel les on peut creuser des foui l les, une fois lapr lse de cinent ten[ inée (centrales nucléaires, écluses). Des panneauxpréfabr iqués peuvent etre mis en Place, ce qui Penûet d 'avoir des paro1smoins épiisses et un nur ProPre (iéallsation de parkings souterrains) 'Les coulis au ciment sont égalenent utilisés pour stabili-ser des terrainsfissur{s (injection dans des forages à maille régulière).

La bentonite est éSalement utilisée pour la réalisation de tutrnels en

terrâin perrnéable ! la boue est i.njectée en avant du tunnelier, ce qui a pour

effet de stabi l lser les terrains (créat ion diun tel) et de permettre le

marinage des déblais.

3.4 - Utilisatiotrs des bentonites activées par traitenent acide

L I activatj.on à I'acide des bentonites calciques a pour effet de remplâ-cer les cat ions échangeables par H+ et drél in iner une Part ie de Fe' Al ' Mgprésents dans le feuillet. Ce traitenent a pour effet draugûenter la surfacespéci f lque et la porosi té de ce ninéral , d 'où des capaci tés d'adsorpt ion etd'absorption plus élevées et un Pouvoir catalytique accru.

ces bentonites acti.vées à I'acide sont utilisées cotûne terres décolo-rantes pour :

- la décolorati.on des huiles et graisses végétales et an1ûales destinéesà l ral inentat lon ;

- la décoloratioû des huiles et graisses industrielles et des hullesminérales de lubr i f icat ion (avant et après ut i l isat ion).

Les conditions de blanchinent sont généralement les suivantes I décolo-ration, sous vi.de entre 70 et 150'c et pendant 20 à 30 ron.

ces bentonites sorlt éSalenent utilisées pour catalyser certaj.nes réac-t ions chlniques (alkylat ion des phéûols) et pour favor iser la polymérisat ion'I ' isomérlsat lon et ajuster le pH de solut lons.

3.5 - utilisation de I'hectorite

L'hector l te en suspension dans l reau présente des Propr iétés rhéolo-

tlques renarquables, supérieures à celles des bentoûites sodiques classiques

- 3 2 -

II

( th j .xot ropj .e t rès développée) . E l le est pr inc ipalement ut i l isée pour lafabr icat ion de peintures (ne coulant pas) , cosmét iques, produi ts drentret ien,etc . Mais e l le permet aussi la fabr j .cat ion de produl ts organophi les.

Dans le g j .sement d 'Hector en cal i forn ie, ce n inéra l est associé à de lacalc i te en for te propor t ion (50-75 U ca C03). I l est ext ra i t de sa Bantue pardispersion dans lreau chaude, cyclonage et centrifugation. La société an-c1âise Laporte Industries fabrique égalernent ùne hectorite synthétiqueappelée "Laponi te" .

3.6 - Utilisatiûn des bentonites organophiles

Les bentonites organophiles plus connues sous le tenne corunerci.al debentones sont généralenent obtenues en échângeant les cations interfolairesprésents à 1 'é tat nature l par des cat ions organiques. Après d ispers ion dansun liquide organlque, les pârtleules de snectite constj.tuent un gel grAce audéveloppenent de l iâ isons hydrogène (c f . f ie . 9) ,

IIIItIIIIIIIIIIItII

Fj.g. 9 - créatlon dtun ge1 par développenent de liaisons hydrotèûe à partir

- de particules de snectite ortanophile (draprès Industrial Minerals,Sept. 1985 )

Des matériaux de ce type peuvent être égalernent obtenus par réactionsrnectites avec des molécules organiques polaires qui remplacent lreau àsur face des par t icu les (d 'après cr ln et Gtven, 1978)

Les bentonites organophiles sont généraletnent obtenues à partir debentonj.te sodlque naturelle (type Hyomlna) ou d'hectorite. Les propriétés desproduits obtenus sont sj.mllaires, nals lnfluencées par 1â structure di outrioctaédrique de ces n1néraux et lô taille des partlcules (surface spécifi.-que des hector j . tes 20 fo is p lus for te que cel le des bentoni tes Na), A ins i ,les gels obtenus à par t j . r drhector i te rnodi f iée sont beaucoup p lus v isqueuxque cerD( à base de bentonite Na modifiée.

Ces rnatériaux entrent principalement dans la fabrication des peintures,encres, gra isses, cosnét iques, prodùi ts pour lesquels Ies propr ié tés rhéolo-gj.ques sont essentiel I es.

l a

H - o ,

I

IIItITI

IIIITIIIIII

- 3 3 -

3.7 - Utilisations des beltoûites blauches

La combinaison des caractéristiques classiques des bentonites et de lablancheur pennet lrutilisation de ces matériaux dans des domaines particu-l iers : cosnét iques, déteraents, cérami.ques, pelntures, etc. En fonct ion desutilisations, ces matériaux sont sinplement séchés ou broyés (plastifiantspour céranique) ou subissent un traitenent d'épuration par lavage (cosméti-ques ) .

3.8 - Utilisatj.on .le la sapoûite

Cette snect l te nagnésienne est ut i l isée pr incipalenent en forage. Laprésence de nagnésium en forte quantité engendre une faible caPacité dlèchange de cations d'où une plus trande tolérance agx ëlectrolytes et uneplus grande stabi l i té thentr ique.

4 - CBIÎESES D I EXPU)IIAAILITT ET SPECIFICATIOf,S ITDUSIBIELLES

4.1 - Principarnr critères .l I erçloitabilité

4,1.1 - Cr i tères l iés au gisement

Lâ di.stance entre le gisernent exPloitable et le lieu de consomûationpeut att.elndre plusieurs milliers de krû (bentonite du wyoning utilisée dans

Ie nonde ent ier, par exemple). Lrusine de trai tement est s i tuée près du l ieu

dtextraction ou du Iieu de consonunation.

Lrextraction des bentonites est généralenent réalisée à ciel ouvert. Letaux de découverte D/E (rapport entre épaisseurs de la découverte et duniveau exploitable) peut être très élevé et déPasser 10. Ainsi dans la car-r ière de Redhi l l (Angleterre) exploi tée par la société Lôporte, la découverteconstituée par 40 m ale sable argileux Jaune à intercalations de bâncs degrès, sunmnte un niveau de bentoni te de 3 m drépêisseur '

Cette extrâction peut être aussi réalisée en galeries souterraines 'Cette technique a été etnployée en Angleterre (Bath) et en RFA (Bavière) etest encore utilisée dans certaines exPloitations au JaPon.

4 .1 .2 - C r i t è res l i és à l a na t i è re b ru te

Les bentoûi tes sont des argl les essent iel lenent comPosées de smect i te.La prospection de nouveaux gisenents devra srOrienter 8énéralement vers desnatériaux ayant la cornPosj.tion suivânte :

- teneur en smectite : 70 à 80 % ninilrurn du tout-venant. Ce seuil Pourraetre alàissé Pour des sftectites rares : hectorite de Callfornie pouvantcontenir entre 50 et 75 Z de calc i te.

- teneur et sable : 15 % maximum. Pour une utilisation en fonderie lateneur ooi t être infér leure à 12 Z (sable > 20 nicrons) alors que pourle forage, el le ne doi t pas dépasser 4 % (sable >74 microns).

It

- J { -

IIIIII

i .nfér leure à 2.2

- Teneur en fer : e l le doi t ê t re in fér ieure à 2 " / " Fe203 pourn l tes b lanches ut i - l isées en céra;n ique.

4.1,3 - Asalyses et tests

4 . 1 . 3 . 1 - C o n p o s l t i o n d e s é c h a n t i l l o n s

Les pr inc ipaux tests pré l in ina i res à réal iser en l 'ue de caractér j .ser unéchant l l lon de bentonj . te sont les su ivants : mesure de la teneur en sable,ca lc imétr ie , capaci té d 'absorpt ion de b leu de méthy1ène, ânalyse n inéra logi -que par d l f f râctonétr ie de rayons X.

La capaci té drabsorpt ion de b leu de méthy lène est une nesure t rèsut i l isée dans 1e domaine des bentoni tes. Le mode opérato i re adopté par 1eBRGM est le suivant :

- verser 1e d'argi le séchée et broyée à 80 mlcrons dans un bécher de100 n l , a jou te r 20 n1 d 'eau dén iné ra l1sée .

- ac id i f ier la so lut ion en versant 0.5 rn l de H2s04 5 N et agi ter petdant10 rnn (agi ta teur magnét ique) .

- v e r s e r 2 m l d ' u n e s o l u t i o n d e b l e u d e m é t h y l è n e à 3 , 7 4 e / ] . a g i t e r5 nn, puls pré lever une gout te de solut ion à l 'a ide d 'une baguet te deverre et la déposer sur un papier f l l t re .

- recof iunencer I 'opérat ion jusqu'à ce qurune auréole de b leu de méthy lènedi f fuse autour de la tache forrnée.

- quand I 'auréole appara l t , redéposer une gout te de solut ion, après 2 rnnd'agi ta t ion, pour conf l rmat ion. s i l rauréole pers is te, le polnt des a t u r a t i o n e s t a t t e i n t . S i 1 ' a u r é o l e n e p e r s i s t e p a s , a j o u t e r I n l d esolut ion.

La capacl té d 'absorpt ion s 'expr ime en mg de b leu de méthy lène par gd 'arg i1e, Les snect i tes présentent une capaci té t rès é levée par rappor t àI 'ensenble des autres types de 1 'arg i le . E l le est généra lernent conpr ise entre180 et 220 mg/g pour 1es bentoni tes commerc ia l isées (néthode BRGM).

Une autre technlque consis te à a jouter une solut ion saturée de pyrophos-p h a t e à l r a r g i l e s è c h e p o u r a m é l i o r e r l a d i s p e r s i o n d e l r a r g i l e , c e q u r ap o u r e f i e t d t a u g n e n t e r l a c a p a c i t é d r a b s o r p t i o n . M a i s c e t e s t n ' a q u r u n evaleur comparat ive et doi t tou jours êt re réal isé de 1a nêne manière (vér i f i -cat ion des résul ta ts par analyse minéra logique aux rayons X,

4.1,3,? - Tests physlco-chj .n iques

Ces tests permet tent non seulenent de comparer les bentoni tes, naj .saussi de déf ln i r Ia nâture des cat ions échanseables (Ca ou Na).

- Teneur en carbonates : e l le doi t ê t reut i l isat ion en fonder ie.

% pour une

les bento-

IIIIIIIIIIIIIII

- Test d t Ens 1in

IIIIIIIIIITIIIIITtII

- 35 -

La valeur dtEnsl in est ladtune bentoni te nesuréependênt 24 h. :

capaci té d 'absorpt ionpar hydratation des

d'eau maxlnaleéchantil lons

poids aaturé - poidÊ Becvaleur d'Enslin = x 100

poids sec

Cette va leur vâr ie de 200 à 300 U (bentoni tes ca lc j .ques) à500 - 1000 X (beûtoni tes sodiques) .

- Mesure de la teneur eTt colloidesl0 g dfarg i le tan isée à 80 n icrons sont versés dans un béchercontenant 500 ù1 d 'eau déur inéra l isée. Après agi ta t ion pendantI h, on laisse reposet 24 h. La suspension est ensuite sipho-née et I 'ar t i le sédinentée au fond du bécher est séchée etpesée (so i t P ce poj .ds) . La teneur en col lo ldes est égale :

l o - P- x t 0 0

l0

Elle var ie de 15 à 30 Z pour les bentoni tes calc iques à80-90 1( pour les bentonites sodlques.

- Mesure du Bonf lerûent

Elle consiste à verser très lentenent une poudre de bentonitedans une éprouvette contenant de I teau déninéral1sée (aonf le-nent expr lné en nl lg bentoni te).

Le gonf lerûent des bentoni tes calc iques est t rès faible (2 à3 ml/e) et augmente très nettement pour les bentonites sodi-q u e s ( 1 2 à 1 5 m l / e ) .

- L ini tes d rAt te rbe rg

Les limites drAtterberg conprennent 1Ê Iimite de liquidité(teneur en eau entre l 'état . l iquide et 1rétat plast ique) et lal lmite de plast lc i té ( teneur en eau entre l 'état plast ique etl rétat sol ide). La dl f férence entre ces deux valeurs estappelé indice de plast ic i té.Cet indice, généralenent compris entre 70 et 100 pour lesbentoni tes calc j .ques, var ie entre 300 et 600 pour les bento-ni tes sodlques.

I

- 3 6 -

4.2 - SpécificâtionÉ industriellea

4.2.1 - Ut i l isat ion en fonderie

Le Centre Technique des Industries de Ia Fonderie (CTIF) a établi unespécification technique qui recormrande de nesurer 3

- les teneurs en eau, en élérûents de plus de 20 nicrons et en carbonatea

- la capaci té d 'absorpt ion de bleu de néthylène

- le rendenent maxi.fial à vert

- la résistance thenÉque à 400 ou 500'c.

Le rendenent naxinal à vert est nesuré sur des éprouvettes obtenues parrnalaxage de sable et de bentonite à différentes teneurs en eau. Il est égal àla résistance à la compression naxinal e divisée par le Pourcentage de bento-ni te contenu dans le sable (expr irné en kPal l d 'argi le) .

La spécification du CTIF reconnande les seuils de spécification sui-v a n t s :

- teneur etr é lélents > 20 licrons : 12 I oaxilun- teneur en carDonetes ?, 2,2 7 Dâxllutr- reûdeoent naxiral à vert : 20 kPa/l liûi.mrn- chauffage à 4o0-500'c : baisse du retdenent < 20 Z

Le CTIF recornmande égalenent de mesurer la réEistance à haute htoiditéRIIH (non pris en coropte dans la spécification). Elle correspond à la résis-tance à la traction drune éprouvette chauffée sur I'une de ses extrénités. Larupture a lieu dans la zone de recondensation de lrhûoidité. 0n considère quecette valeur est en relat ion âvec l tappari t ion de certains défauts sur lespièces (gales). Cette résistônce est généralement > 2 kPa pour Les beûtonj . tessodiques et < lkPa pour les bentoni tes calc iques (néIanges à 6l bentoni te,2U eau et complénent à 100 X pour le sable).

Certains industriels recoûtûandent également de nesurer la résiataûce aucisailleoelt. Elle est natérialisée par le coefficlent CHlo égal à la résis-tance drun sable à 10 U bentoni te expr lnée en psi et mult ip l iée par la teneuren eau de ce sable.

4.2.2 - Ut i l isat ion pour le bouletage du nineral de fer

Les boulettes fabriquées en vue de la réduction de certains ninerais defer (minerais pulvérulents ou concentrés flns) doivent présenter les princi-pales caractéristiques suivantes :

Boulettes crues

. Tai l le unl forme (9- l6nur). surface l isse et non col lante

IlIIIItIIIIlIIIIIIIII

IITI

- J t -

stexpr ime en second" -1

(s- l ) e t est égal

IIIIII

. Résistance à lê compression : 0,7 à 0,8 ke pour des boulet tes dc.diroension l0 - 12, 5 ffii

. Nonbre de chutes drune hauteur de 0,45 n avant rupture : I à l0

. Résistance êu choc thernlque : les boulettes doivent résistèr â unchoc thermique de 500'c .

Boulet tes cui tes

. Rési.stance à la conpression : 250 à 350 kÊ

. Résistance à I'abrasion : teneur en fines < 5 nn produi.tes aprèsrotat ion, dans un tanbour MICW (0,25 n de larÊe, I n diamètre,25 t / rnn). El le dol t être 1nfér ieure à 6 7" après lÛ0 tours et à 8l après200 tours.

Boulett.es après réductlon

. Gonf leûent : Sl Fc, Fr, dc et dr sont les teneurs en fer et lesdeûsités appareTrtes des boulettes cuites et réduites, le tonflenent estcalculé de la nanière suivante :

dcFc - .lrFrG =

dr Fr

I l do i t e t re i n fé r j . eu r à 0 ,10 .

, Résistance à la conpression : 50 à 100 kB.

. Résistânce à I'abrasion : teneur en fines < 2 nn après 500 tours datsun tanbour de 100 nn de di.anètre. ELle doit etre i.nféri.eure à 4 Z.

4.2,3 - Ut i l isat ion en forage et t ravaux publ i .cs

4.2.3.1 - Rappels concemart lâ rhéolot ie

L'act j .on d'une force exercée sur un f lu ide provoque un écoulenent. Enrégirne laminaire, dans lequel chaque lame de fluide se déplace parallèIementà la dlrect ion de l récoulenent, l 'équat lon drécoulement rel ie la tension deci.sai.lleîrent T et le taux de cisaillement Y (ou vitesse de cisailleûelt oude défonEtion) .

IIIIIIttII

L€ taux de ci.sailleûeût Ià r

dv Di.fférence de vitesse entre 2 lames voisines

dr

I

Distance entre les 2 lanes

- 3 8 -

IIIIIIIIII

La tetrsion de cisailleDent T s'exprine généralenent en l1vres par100 pieds carrés (ou baryes en système CGs) et est égale à la force appl lquéepar uni té de surface de la lame qui provoque le c lsai l lenent (pression).

Pour un taux de cisaillernent donné, on définit la viscosité apparenteua généralement exprimée en centipoi.ses (cP) :

u a = -T

Pour les fhxides nerrtofiens (eau - gas oil) la tension de clsail ler0entest directement proport ionnel le au taux de cisaj . l lement :

/rtau' dc \\cisalllamant/

La courbe est une dro i te passant par l ror i8 ine et le f lu ide se t te t en

nouvenent dès qu 'une force supér ieure à zéro lu i est appl iquée. Pour un te l

f lu lde. ua est constant à temPérature et pregsion constantes, la v iscosi té

apParente est la v iscosi té réel le .

M a l s I e s b o u e s à b a s e d e b e n t o n i t e n e s o n t p a s d e s f l u i d e s n e w t o n i e n s .Elles peuvent être généralenent assirûilées à des fluides binarraEiens pour

lesquels la tenslon de cisalllenent varie aussi linéairenent avec le taux de

cisaill.ernent. Mais à la dlfférence des fluldes newtoniens, il est nécessaire

de leur appliquer une force nininale pour rnettre le fluide en rnouvenent.

cette force correspond à la tensiotr linj.te de cisaillero€nt ou yield value oÙyi.eld point.

Ces fluides sont caractérisés par deux constôntes :

to : tension lj-nite de cisaillenent quj. correspond à la force rnininalepour provoquer I récoulement ;

Up : viscosité plastique qui correspond au rapport de la varj.ation de latension de clsaillenent à la variation correspondante du taux de cisall-lerDent, autrernent dit à la pente de la courbe représentantt en fonct ion de T

Tt léor iquenent, 1 'équat ion d'écoulement est : t = to + UPÏ

La courbe représentant cette fonct ion est, en coordonnées cartésiennes, Idroi te ne pâssant pas par I 'or ig ine.

I

IIIIItI

II

tIIIIIItIIIIIIIIIIIII

DansâpParente

ce cas, Ia v lscosi téua qui n 'est Plus une

- 3 9 -

|r.n c. \\ci.dllrn.nt,

plast ique up est dl f férente de la v iscosi téconstaf l te.

4.2.3.2 - Techniques ut i l isées pour 1a déteminat ion descaracté rj.stiques drune boue à base de bentonite

- Mesure de viscosité au viscosimètre FaT|n

Ctest un appareil à cyLindres coaxiaux Pernettânt des nesures àdifférentes vj.tesses de rotation : Ie cylindre extérj.eur mls 9nnouvenent par un rnoteur électrique, entralne en présence de boue'un cyllndre intérieur. 0n détennine en fonction du taux de clsâil-lenent (déduit de la v i tesse de rotat lon), la tension de cisai l le-nent (déduite de la lecture de la graduat ion).

Cet appareil est conçu de façon à obtenir directenent 1es paranè-tres suivants :

lecture Fann 600 t/mviscoEité apparente Ua ( cP)

2

600 t/m - lecture Fasn 300 t/nn (cP)

( I ivres/ 100 pieds carrés)

viscosité plastique Up = lecture fats

yield value to = 2 (ua - up)

- nesure de viscoslté à I'entonnolr de Marsh

On détermine le terûps d'écoulenent d'un volurne de 946 cm3 de boue àtravers un entonnoir normalisé rernPli à 1,5 I'

- déternination du filtrate loss

La perte en eau sur filtre ou filtrate loss d'une boue est nesuréeà l ra lde d 'un f i l t re-presse Baro ld. La boue est soutû ise à unepression de 7 bars dans un cyllndre nornalisé rnuni à sa base d'uneplaque f i l t rênte (surnontée drun tanis et drun papler f j . l t re) . Lef j . l t ra te loss est la quant l té d 'eau recuei . l l ie à t ravers cet teplaque pendant une durée de 30 nn.

4.2.3.3 - SPéci f icat ions concernant les bentoni tes ut i l lséesen foraBe pé t ro lier

- 4 û -

I1 exlste deux spécifications pour les bentonites utilisées enforate pétrol j .er r

- la spécification aûérj.caine API (Amerlcan petroleun Institute)n "13 A (Décembre 1979) i

- la spécificatioa OCIIA (oil Conpanles Materials Assoclation) n"DFCP 4 (oc tob re 1973 ) .

Les priflcipales spécificatj.ons exj.gées pour les bentonites deforage par I'American Petroleum Instltute sont ;

- lecture au visconètre Fana à 600 t/m : 30 ûiûiEun- yield value (Lb/Ifi) ft2)) : 3 x viscodité plastiqu€ Daxiuuû- filtrate loss : l3,5 c!3 rnarirnrnn- refus sur ta[is de 2OO resh (74 nicroæ ] z 4,0 7 ûsJri[u!.

La viscosité Fann, la yield value et le filtrate loss sont ûesuréssur une suspension de 22,5 E dans 350 cn3 dteau dist i l lée(6,4 g/100 ml). Les exigences formulées dans cette spécl f icat ionengendrent un renderûe$t ûinimum de 92 barils (14,6 n3) de boue deviscosité apparente l5 cp/t de bentonite.

Les pr incipales spéci f icat ions exigées par l i0CMA pour les bento-nites de fora8e sont :

- rendenent lLlnir"al de 16 n3 de boue de viscosité 15 cP de bentonite ;

- filtrate loss iDférieur à 15 Dl pour rme boue contenant 7,5 t d€bentonite/ 100 u1 dreau distillée.

- refus sur t@is de 2OO resh (74 n-icrons ) : 2,51 oaxinru.

Le rendement minimal de 16 n3/t correspond à une concentration naxinalede 6,4 g de bentoni te/ I0o rnl dreau (ce rendement est déf in i par des nesuresde viscosi té apparente à trois concentrat ions di f férentes).

4.2.3.4 - Spécl f icat ion concernant les bentoni tes ut i l isées ent ravaux publics

contraj.renent aux bent.onj.tes pour forage pétrolier, il nrexiste pas devér i table spéci f icat ion réglementant cette ut i l isat j .on (chaque entrepr j .seréal isant ces propres tests de laboratoire).

La société SOLETANCHE, prlncipale société française spécialisée dans cedonaine, recormande lâ dérûarche suivante !

- nesures sur les boues à la bentonite

. EtablisseDeut de la relâÈion viscosité = f (concentration) :Une certaine quantité de bentonite est rnalaxée pendant 5 ninutes dans unbécher de 5 l i t res contenant 2 l i t res dreau ( le nalaxe[r est un agi tateurTurbotest de la sociét.é Rayneri équipé drune turbine défloculeuse de diamètre80 run tournant à 1500 tours/nlnute),

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- 4 1 -

La viscosité est ensuite nesurée à I'aide du cône de Marsh inonédia-terûent, puis à I heure et 24 heures (Ia boue ét.ant laissée au repos).

En opérant à différentes concentrations, on obtient des courbes visco-si té = f ( concent rat j .on ) qui permettent (cf . f ig. 9) r

- d 'une pêrt , de déf in ir la concentrat ion de bentoni te nécessaire(rendement) pour l robtent ion drune viscosi té de référence de 40 secondes pourI heure d'hydratation (5 minutes de malaxa8e + 55 ninutes au repos) ;

- dtautre part de déterniner la vitesse de rûtrj.ssement de la bentonite,ce qui est très important sur le plan pratique pour définir la capacité destockage nécessalre sur le chantier (en site urbain, on cholsit souvent desbentonites à mûrissement rapide pour nininiser le nonbre de cuves ou silos destockage ) .

Les bentonites sont classées de la rnanière suivante en fonction dùrendement R :

mauvaises bentonites R > 90 tramtûes/ litre d'eau

bentoni tes moyennes 90 > R > 50 tra mes/ l l t re dreau

bonnes bentonites R < 50 granunes/ litre d'eau

. Filtrate loss

I La boue est considérée conne bonne lorsque l'eau libre est inférieure à20 ml et l 'épai .sseur du cake infér ieur à 2,5 run.

- Mesures sur les coulis bentonite-ciment

Au contact du cinent une boue de bentonite peut subir un épaisslssenenttrès narqué, ne pas subir de variation de viscosité notable ou enfln sef lu idi f ier .

Lr j.ntérêt est évldemrent drêtre dans le prenier cas (ce qui permetd'écononiser de la bentonite) dans la nesure où cela ne conduit pas à uncoulls trop rigide et pour lequel la ressuée soi.t trop irûportante (ce quitraduirai t un caractère instable du coul is) .

L'essai est le suj.vaût : on parL d'une boue hydratée pendant I heure etdont la viscosité Marsh est de 40 secondes, dans laquelle on ajoute 200 gran-mes de citûent par li-tre de boue en malaxant durant 5 minutes à I'aide duturbotest Rayneri tournant à I 500 tours/ninute,

0n mesure ensuite la v iscosi té : cel le-ci doi t être te 38+l-2 secondes.

- Autres mesures

SoLETANCHE nesure égaleTnent ]es viscosités apparentes et plastiques etla yield value (viscosimètre Fann) sur bou€s à la bettoni.te de viscosi.téMarsh 40 s après I h, ainsi que 1a rigidité à I h (boue à la bentonite) oulni t ia le (coul is bentoni te-ci$ent ) à I 'a ide d'un scissomètre à crois l l lons

Figuxe Bentonite pour ttavaux pu,biics -

Etude de J.a reLation viscosité = f(concentratian) à tenps d, hgdrataxianvariabfe

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- 4 3 -

(résul tat expr lmé en ng/cm2) et 1a ressurée f inale du coul is (sur éprouvetted e 1 1 ) .

5 - IODES DE TRAITEIIET{T

5.1 - Fabrication de bentonite sodique

Le schéna-type drune chalne de fabrication de bentonite sodique artifi-c le l le à part i r de smect i te calc ique brute est présenté sur la f i8ure 10. Lesprincipales phases du traitenent sont les suivantes !

- allnentation de la chalne de traitement

L'argi le extrai te est entreposée sur une aire de stockage (à I ta ir l ibreou de préféreûce à l tabr i des lnteûpéries) de faço[ à etre rePrise par unchargeur pour alinenter I ' instal lation.

Une tréûie de réceptlon (assurant en mêne tenPs un rôle de tanPon) Permet ladlstribution de la terre sur un brise-notte destiné à hornogénéiser le calj.bredu tout-venant. Une épierreur Peut etre éventuellement nécessaire si lanatière brute contient de gros éléments (fragnents rocheux).

- âctivation

Selon la teneur en eau naturel le de I targi le brute, i l sera éventuel le-rnent nécessaire de lrhunidifler avant de procéder à lractivation, le natérj.auà traiter devant contenir environ 35 à 38 I d'eau (par rapport au poidshunide). Lract ivat ion se fai t à l raide drun doseur pondéral qui déverse lecarbonate de sodium en poudre sur Le matériau avant son entrée dans lemala.{eur-ext rudeur. Cet ajout a pour objet de permettre le renplacement descatj.ons interfolj.naes Ca++ par Na+, Le taux dractivation est généralenentcompris e[tre 3 et 4 g (par rapport au poids hunide].

- Séchage

Lrhunidi té de l rargi le act ivée doi t être ramenée de 35138 X à environ13/15 g dans un séchoir rotat i f . La température du four est généralenentinfér ieure à 150'C.

- BToyage

Après ce préséchaÊe, l rargi le est rédui te en poudre (<80 u) dans unbroyeur vent i lé (envoi drun f lux d 'air chaud à 60"c) dans lequel l thut id i téde 1'argi le est abaissée à une teneur compri .se entre 8 et 12 Z. Préalablenentau broyage, il peut parfoi.s être nécessalre de faire passer le matêriau séchésortant du four dans un br ise-notte, af in de faci l i ter cette opérat ion.

- 4 4 -

BRISE-MOTTE A ROULEAUX

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C o n v o g e u t

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ILIVRAISON VRAC

Figùre l0 - schéna-type de fabrication de bentonite sodique artificielle(draprès B. ROZES, 1980 )

DISTRIBUTEUR AVECTREMIE TAMPON f 20 N3

MALAXEUR-EXTRUDEURA V I S

S E C H O I R R O T A T I F

BROYEUR PENDULAIREVENT I LÊ

SEPARATEUR A AIR

CYCLONES COLLECTEURSF I LTRES

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- 4 5 -

La teneur en eau résiduelle du produit broyé Joue un rôle déterminantsur la qual.ité des bentonites. Elle ne doit pas Ctre j-nférieure à 7-8 ZMais draprès les ut i l isateurs, el le ne peut être supérleure à 12 X ( fonde-r j .e), à l0 ou 15 U (selon spéci f icat ions API et OCl, lA pour forage). Sur leplan technique, cette teneur ne doi t pas non plus être trop élevée pourpouvoir broyer 1 'êrgi le dans de bonnes condit ions.

- Stockage-conditionnerqent

Lrargi le broyée à la f inesse requise est "sélectée" en sort ie du broyagepar un classificateur à air. La fraction supérieure à 80 u est renvoyée aubroyage alors que les particules inférieures à 80 u sont aspirées Par unsystème de cycloûes et stockées dans des si los.

Les silos alimentent une ensacheuse qui Pentet le conditlonnenent dunatériau en sacs de 50 ke. Une livraison en vrac Par canion-citerne estéaalenent envisaceable.

Le node de préparation des bentonites sodiques naturelles est identlqueà celui précédefflent décrit, rnj.se â part la phase dractivation qui estsupprimée.

5.2 - Fabrication de bentorlite activée à I racide

Le traltement de I'artile brute (bentorite calcique) cod[ence par une[ise en suspersion, Cette suspension est alors sourj.se à lraction, drun âcldeninéral, ténéralement HCI ou Il2S04.

0n obtient ai.nsi une structure très poreuse avec une surface internefortement augmentée : élimination des cations lnterfoliaires Ca++ et Na+renplacés par H+ et élinlnâtion partielle de Al, Fe et Mg présents dans lefeu i l l e t .

La suspension acide résultant de I'activation est alors séparée dans desfiltres-presses, puis le tourteau obt.enu est débarrassé de 1'excès dracidepar lavage.

Ce tourteau est ensulte séché (température inférieure à 120'C), broyé ettanisé. Les performancea du produit obtenu sont fonction de la nature deI 'argi le, des condit lons dract ivat ion ( t .ype dracj .de et concentrat ion, tenpé-rature, durée, Èeneur en argi le) et de la granular i té du matér iau aprèsbroyage.

I

- 4 6 -

5.3 - Fabrication drargile déshydratante

Cette bentonite qui contient uniquenent des ions Ca++ en Positioninter fo l ia i re est obtenue à par t i r d 'une bentoni te ca lc ique nature l le ( lons

câ++ doninants, na is autres ions Présents entre les feui l le ts) . Ce produi t

est obtenu par rn ise en suspension de la bentoni te à la concentrat ion de 20gl le t a jout de sul fa te de calc ium à 2 e l I .

IIII

5,4 - trabrication

Exenple : chaineSorgue-France ) .

de

de

Ibentoni te épurée (cosnét iques, pharmacie . . . )

t ra i tenent de la soc lété Expansia (1 ' Is le sur la t

CONCENTRÂÎION

SECHAGE

PTILVERISATION

5.5 - Fabricatiotr de

Un erenple de chainede bentoni te ca lc lque a puRedhj .1 l en Angleterre :

trémie d I ali.ûêntation{t

épLerreur{,

lânri trage par 2 broyeurs à rouleaux+

stockage<,'

mise eû susPension datrs rm tro@elet éliûinatio! des éléDents > 5 m

{,traitenent acide pour éliûtinerles cârbonates

{,tcyclonages successifs pour éhxinationdes éléments > 5 nicrons (5 Z sol ide)

<,'classificateur à râteau (15 Z solide)

{tce[trifuteuse (25 Z solide)

{tséchage et pulvérisatioD ( passage

{,}

honogéûéisation des cooteneurs

granulés absorbants ( litières

de t ra i teme[ t pour ce type deêtre observé dans l 'us ine de

aninales)

fabr icat ion à part i rla société Laporte à

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- Concassage de l targ i le brute au concasseur à nâchoi . res (nélangeplus ieurs arg i les) : product ion dré léments de d inensi .on 20 cm.

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- 4 7 -

- séchâge à 400'c dans un tamboùr rotatlf i la chêleur provoque unêdésagrégation de la matlère et la fornatioû des granulés.

- tanisage pour production de granulés 2-8 en représentant 70 1 durûaté riau sortant du tambour (autres 30 g destinés au marché des Pesticideset de la fonderie ) .

- ensachate en sacs de 6 ke et. nlse sur palettes.

6 - PROIX]ITS DB SI'BSTIN'TION

La structure cristalllne des snectites constituées de feu1llets éléûen-taires de très pet i te dinension entre lesquels I 'eau pénètre faci lenent est àI 'or ig ine des propr iétés part icul ières (v iscosi té, th isotroPie, plast ic l té 'surface spéci f ique éIevée . . . ) des bentoni tes. ces propr létés part icul ièresfont que ce matéri.au ne peut pas généralernent être renplacé par un autreminéral industriel dans de nonbreux domaines d'utilisation'

6.1 - Utilisation en forderie

Les sables ut i l lsés pour la réal isat ion de moules de fonderie étaientauparavant des sables naturels contenant 8 à 25 % d'argi le. Ces sablesnaturels ont été progressivement renplacés par des sables synthétiques !sêble purs dans lesquels on ajoute de la bentonite. Hais la nise au point denouveaux procédés de fabrication ne nécessitant pas de bentonite colûte le"vacuum process" (ttoulage sous-vide du sable Placé dans un filn Plastique)pourrait engendrer une baisse de la consommation de bentoni.te.

Des résiûes sont égalenent utillsées pour lier le sable des noyaux(pièces eI | sable placées à l t intér ieur des noules), nais ne sont pas ut i l l -sées pour la confect ion des noules.

6.2 - Utitisation pour le bouletâge du ti-nerai de fer et de la nourri-ture aniûale

I De la chaux (Brési.l) et du clinker (Suède) ont été utllisés et renpla-t cenent de la bentonite pour le bouletage du fiinerai de fer.

La bentonite utilisée coûnme liant de la nourriture animale peut égale-ent être renplacée par dtautres argi les (kaol in, argi le kaol i .n lque) ou des

prodults organiques ( lignosulPhonâtes ) . D'autres ninéraux sont égalementut l l isés dans ce domaine ( talc, zéol i tes, carbonates . . . ) mai 's ne jouent pasle rôle de l iant.

6.3 - Utilisations en forate et co@e absorbants

Les seuls minéraux pouvant se substituer aux bentonites dans ces domai-nes sont les at tapul t i tes et sépiol l tes. Ces argi les f ibreuses dominent Ieûarché des absorbants (lj.tières animales, absorbants de sols industriels), etreprésentent une part relativement inportante du narché des supports

II

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- 4 8 -

phytosanitaires . Dans le donaine du forate, elles peuvent se substituerbentonites lors de la traversée de milieux riches en sel.

IIItITtIItItIIIITTII

- 4 9 -

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I

ItIIIIIIIIIITIIIITItT

ANNEXE :

LISTE DES PRINCIPAUX PRODUCTEURS DE BENTONITE

(d'après revue Industr ial l { inerals, Oct. 82

et Industr lal Mlnerals Directory, 1987)

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