Etude comparative de l'organisation des matériaux argileux en termes de dimensions fractales

Abstract

La caractérisation structurale et texturale des matériaux argileux depuis la particule élémentaire jusqu’à l’échantillon macroscopique repose traditionnellement sur la description détaillée des divers niveaux d’organisation. Nous avons tenté de remplacer cette approche très complète mais très lourde par une approche simplifiée, qui repose sur l’idée que l’organisation des éléments de la texture à une échelle donnée se retrouve inchangée à des échelles différentes, pourvu que l’on considère des éléments de texture adaptés à chaque échelle. Cette approche a été formalisée dans le cadre de la théorie des fractals. Plus précisément, nous avons mesuré les dimensions fractales de surface(Ds), de masse(Dm), et de porosité(Dp), d’une série de matériaux argileux, dans le domaine de taille compris entre 20 et 4500 micromètres. La série des matériaux comprend : un Kaolin, une Attapulgite, une ‘Illite, une Sepiolite, une Hectorite, une Laponite et vingt Montmorillonites, obtenues par échange ionique d’un même échantillon de départ par vingt cations différents. Nous avons montré que les argiles dont les unités morphologiques primaires ne sont pas des feuilles souples relèvent d’une description triviale, basée sur un assemblage tridimensionnel désordonné(Ds=Dm=Dp). En revanche, les résultats montrent sans ambiguité que la plupart des montmorillonites sont des lois typiques des empilements tridimensionnels(Dm=3), mais la porosité et la surface accessible à l’azote obéissent à une loi d’échelle unique, avec un exposant qui dépend de la nature des cations échangeables. La corrélation des dimensions fractales de surface et de porosité des Montmorillonites déshydratées avec les propriétés des suspensions (perméabilité, rétention en eau et rhéologie) suggère que la symétrie de dilation de ces matériaux débute à des échelles beaucoup plus courtes, proches de l’unité morphologique primaire.