African Journal of Science and Technology (AJST) Science and Engineering Series Vol. 9, No. 1, pp. 1 - 11
CARACTERISATIONS MINERALOGIQUE ET GEOTECHNIQUE DES ARGILES UTILISEES DANS LA CERAMIQUE DE SAFI (MAROC) Guerraoui, F.1, Zamama, M.2, Ibnoussina, M.1 Département des Sciences de la Terre 2 Département de Chimie Université Cadi Ayyad, Faculté des Sciences Semlalia, BP.23.90, Marrakech, Maroc 1
E-mail: guerraoui@ucam.ac.ma; ibnoussina@ucam.ac.ma; zamama@ucam.ac.ma RESUME:- L’étude géologique des dépôts argileux dans la ville de Safi a montré quatre faciès sédimentaires distincts qui ont été rattachés au Valanginien supérieur- Hautérivien inférieur. Les analyses par diffraction des rayons x sur la matière première montrent la présence en proportions variables de quartz, calcite, feldspath, dolomite, kaolinite et illite. En outre, les analyses granulométriques montrent que les particules de diamètre inférieur à 80 µm constituent 99.99 % du matériau, alors que la fraction argileuse ( φ < 2 µm) varie de 38 à 40%. Le test de plasticité situe ces matériaux dans le groupe des argiles très plastiques. La présence des constituants comme les feldspaths, la calcite ou encore la matière organique confère à ces argiles des propriétés physicochimiques intéressantes qui justifient leur utilisation sans ajout secondaire en technologie céramique. Mots clés: Safi; argile; diffraction des rayons x; minéralogie; granulométrie; technologie céramique. ABSTRACT: - The geological investigation of the clay deposits in Safi showed four distinct sedimentary facies, which were attached to higher Valanginien- lower Hautérivien. The XRD analyses on the raw material convey the presence in variable proportions of quartz, calcite, dolomite, kaolinite and illite. Moreover, the grain size distribution shows the particles of diameter size lower than 80 µm form 99.99 % of the sediment, whereas the clay fraction (diameter size φ < 2 µm)vary from 38 to 40 %. The plasticity test makes it possible to classify these clays within the group of very plastic clays. The presence of other components such as feldspar, calcite or organic matter, give these clays interesting physicochemical properties. The composition of the raw material combined with these properties justifies their use in ceramic technology without any additive. Key words: Safi; clay; XRD analyses; mineralogy; granulometry; ceramic technology
INTRODUCTION Safi, ville portuaire atlantique du Maroc est depuis longtemps réputée pour sa production de poterie domestique et de céramique décorative. L’impact de ce secteur sur le développement socio-économique de la région est notable car il génère des emplois fixes et saisonniers. Il est donc important de valoriser et de préserver ce patrimoine qui reflète un contexte culturel particulier.
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L’abondance et la proximité de la matière première jouent un rôle déterminant dans le développement de cette activité. L’extraction, le façonnage et la cuisson se font sur le même site. L’identification des matières premières et le comportement des matériaux durant les différentes étapes de fabrication soulèvent des questions sans réponse. Le recours à des ajouts (matière organique et chaux) ou le changement de la température de cuisson pour améliorer le produit final se font souvent de façon empirique. Le savoir faire aussi bien dans le choix de la matière première que
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F. GUERRAOUI dans les modes de cuisson est basé sur des techniques ancestrales en voie de disparition. La caractérisation géologique de la matière première utilisée dans ce secteur s’avère d’une grande importance. Une bonne connaissance du comportement de ces matériaux est utile pendant les différentes étapes de fabrication en particulier durant le tournage, le séchage, l’émaillage et la cuisson. En outre, aucun travail scientifique n’a été abordé à ce jour sur l’étude géologique des dépôts argileux de Safi. Dans ce travail, nous abordons une étude sédimentologique et stratigraphique de ces argiles. Les analyses chimiques, pétrographiques, granulométriques, essais géotechniques ainsi que les analyses par diffractométrie de rayons x effectués sur des échantillons de matériaux, nous ont permis de les caractériser et de les classer.
façonnage. L’activité des Potiers de Safi est attestée dès le XIIème siècle (Mékinari, 1957) ; en effet l’influence Arabo-Musulmane sous la dynastie des Almohades pendant le XIIème siècle dote la poterie de Safi de formes nouvelles, de décors plus élaborés et surtout des premières glaçures monochromes vertes. Le rôle des maîtres céramistes de Fès au début du XXème siècle a été primordial dans le développement de cette industrie, en plus des méthodes d’épuration des argiles, de l’affinement des formes et décors ; ils introduisent de nouvelles glaçures, nouveaux colorants qui sont à l’origine de la polychromie actuelle de la poterie de Safi (Crémieu, 1953). Cette activité a connu une renaissance qui a permis de perpétuer une tradition vieille de plusieurs siècles avec la création en 1920 à Safi, de la première école de céramique par Maître Lamali, ancien élève de l’école des beaux arts d’Alger et de Sèvres. Cadre Geographique
Apercu Historique Au Maroc, les premiers indices d’usage de la poterie remontent au Néolithique. L’arrivée des Phéniciens sur les ports atlantiques va révolutionner la fabrication d’objets de poterie par l’introduction du tour comme nouvelle technique. Ainsi, la poterie brute qui jusqu’alors était d’utilité domestique, devient industrielle car le tour permet une rapidité et une régularité dans le
Safi est une ville côtière située au bord de l’océan Atlantique (Figure1). Elle se trouve à 256 km au Sud-Ouest de Casablanca, à 300 km au Nord d’Agadir et à 157 km au Nord-Ouest de Marrakech. La situation géographique de Safi est de latitude 32° 19’ Nord et de longitude 9° 14’ Ouest. Le territoire de la province s’étale sur 120 km environ et couvre une superficie de 71087 km2. La topographie de la région est relativement plate, les points culminants ne dépassant guère 500 m d’altitude.
Figure 1: Carte de situation de Safi AJST, Vol. 9, No. 1: June, 2008
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Caracterisations Mineralogique et Geotechnique des Argiles Utilisees dans la Ceramique de Safi (Maroc) CADRE GEOLOGIQUE
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La région étudiée appartient au bassin de Safi, ou bassin des Abda-Doukkala qui fait partie du domaine Mésétien. Ce bassin est composé d’une couverture Mésozoïque et Cénozoïque plus ou moins transgressive sur un socle Paléozoïque déformé. L’analyse litho-stratigraphique de la série Mésozoïque du bassin de Safi a fait l’objet de nombreux travaux et six formations ont été reconnues (Figure 2). De la base au sommet, il s’agit :
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du complexe évaporitique du Jurassique terminal (Gigout, 1951 ; Taj-Eddine, 1985) constitué de faciès dolomitiques, calcaires marneux et bréchiques ; des dolomies jaunes du Jurassique terminal (Canérot et al.1982) ; c’est une unité carbonatée, intercalée de marnes vertes et grises ;
des calcaires inférieurs d’âge Berriasien terminalValanginien basal ; des argiles brunes du Valanginien supérieurHauterivien inférieur (Canérot et al.1982) ; cet ensemble est formé de marnes grises gypsifères intercalées de calcaires silteux ; du calcaire de Dridrat qui forme la corniche de la falaise de Safi et qui est d’âge Hauterivien supérieur (Roch, 1930 ; Roch, 1950 ; Gigout, 1951). Il s’agit d’un calcaire gréseux plus ou moins dolomitique ; des argiles sableuses rouges de l’Hauterivien supérieur-Barrémien (Roch 1930 ; Roch, 1950 ; Gigout, 1951). C’est une série exclusivement continentale, formée d’argiles rouges versicolores. Elle présente une large extension sous les dépôts Plio- Quaternaires de la région. La couverture Cénozoïque est formée de grés calcaires marins et dunaires.
Figure 2: Coupe stratigraphique synthétique de la falaise de Safi (Ibnoussina, 2005)
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F. GUERRAOUI La formation des argiles brunes apparaît dans plusieurs affleurements le long du littoral au Nord de la ville de Safi et à l’Est dans les carrières d’extraction où une coupe type a été réalisée (Figure 3). Du bas vers le haut, quatre horizons ont été identifiés:
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Argiles brunes massives; Argiles brunes finement litées (litage plan horizontal, herringbone cross-bedding et traces de bioturbation) ; Argiles brunes à niveaux décolorés; Argiles grisâtres.
Figure 3: Coupe de la carrière de Sidi Abderrahman
MATERIELS ET METHODES EXPERIMENTALES
Analyses Granulometriques
Sedimentologie et Stratigraphie
Les tests de caractérisation de la matière première utilisée dans la poterie de Safi ont été faits à partir de quatre échantillons prélevés dans les quatre niveaux argileux de la coupe de la carrière de Sidi Abderrahman.
Sur le terrain, nous avons fait une étude géologique de la carrière d’extraction. La coupe relevée, l’analyse des faciès et des figures sédimentaires permettent la reconstitution paléogéographique des dépôts argileux. L’étude comparative avec d’autres coupes et les corrélations de faciès permettent de dater les niveaux argileux. Le travail de terrain a été complété par une morphoscopie des grains de la fraction grossière dont le diamètre ( Φ ) est supérieur à 80 µm. AJST, Vol. 9, No. 1: June, 2008
L’essai granulométrique a été réalisé selon le protocole de Ngoc Lan et Barbas (1982) et a pour but de comparer la répartition granulaire des échantillons analysés. Cet essai a été effectué en deux phases .
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Granulométrie pas tamisage. Elle a été effectuée sur la fraction granulaire dont le diamètre ( Φ ) est supérieur à 80 µm. Les matériaux étudiés sont tamisés sous courant d’eau, après immersion dans l’eau pendant 24 h. Les refus sont séchés à l’étuve jusqu’à poids constant puis nous procédons au pesage du refus de chaque tamis. Granulométrie par sédimentométrie. Cet essai complète le premier et permet de quantifier les fractions de particules dont le diamètre ( Φ ) est inférieur à 80 µm. Le principe utilise la différence de chute des particules dans une éprouvette d’eau distillée ayant une capacité de 2 litres. Il consiste à laisser les particules en suspension se déposer au fond de l’éprouvette, selon leurs diamètres. A l’aide d’un densimètre, nous mesurerons régulièrement, pour une hauteur donnée, la densité dans le temps. Ces mesures permettent de calculer les proportions de particules de chaque diamètre.
Analyses Geotechniques : Plasticite L’essai de plasticité ou limites d’Atterberg est réalisé sur la fraction inférieure à 400 µm et consiste à faire varier la teneur en eau du matériau afin d’évaluer sa consistance (Costet et Sanglerat, 1981). L’essai a été effectué en deux phases: -
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Recherche de la teneur en eau pour laquelle une rainure pratiquée dans un échantillon de sol placé dans une coupelle de caractéristiques imposées se ferme lorsque celle-ci et son contenu sont soumis à des chocs répétés. Recherche de la teneur en eau pour laquelle un rouleau d’échantillon de sol confectionné manuellement et de dimension fixée se fissure.
Les limites d’Atterberg correspondent aux seuils de passage de l’état solide à l’état plastique (Limite de plasticité : WP) et de l’état plastique à l’état liquide (Limite de liquidité : WL). L’intervalle entre ces deux limites définit l’étendue du domaine de la plasticité (Indice de plasticité : IP).
est ensuite fermé par un bouchon relié à un tube gradué, ce dernier étant lui-même relié à une ampoule par un tuyau en caoutchouc. Le liquide du tube doit être amené au même niveau que celui de l’ampoule qui correspond au niveau initial (D1). L’acide chlorhydrique est ensuite versé sur le matériau, ce qui se traduit par un dégagement de CO2. Pour activer la réaction, nous agitons de temps en temps l’erlenmeyer tout en maintenant le liquide au même niveau. A l’arrêt du dégagement de CO2, le liquide du tube et de l’ampoule s’immobilise au niveau D2 qui correspond à la fin de la réaction. Le volume de CO2 dégagé est calculé à partir de la différence des niveaux, V= D2 -D1 . Cette différence obtenue est multipliée par un coefficient de correction pour avoir le pourcentage des carbonates. Matiere Organique La détermination du pourcentage de matière organique est effectuée par sa réaction avec de l’eau oxygénée (Rivière, 1977). Une quantité suffisante de sédiment (10 g pour un sédiment argileux et 50 g pour un sédiment très sableux) est dispersée par agitation dans de l’eau distillée. La suspension est attaquée préalablement par addition d’acide chlorhydrique (0,1 N) jusqu’à cessation de l’effervescence et de l’élimination des carbonates. Le culot est ensuite dispersé dans de l’eau distillée puis agité et centrifugé. Il est redispersé dans un mélange d’eau distillée et d’eau oxygénée. L’action de cette dernière se traduit par la formation de mousse due au dégagement de dioxygène et à la disparition progressive de la matière organique. La décoloration de la suspension et l’arrêt de dégagement de mousse à l’ajout ultérieur de nouvelles fractions d’eau oxygénée indiquent la fin de réaction. L’attaque est en général longue et nécessite 48 à 72 heures. Analyses Mineralogiques Les analyses minéralogiques sont effectuées à l’aide de la diffraction des rayons x des poudres de matériau. Les diffractogrammes obtenus ont été enregistrés grâce à un appareil Philips XPERT MPD utilisant la raie K α du cuivre ( λ = 1,54439Å), un CGR goniométrique et un Intel CPS120 détecteur. Les enregistrements ont été réalisés avec un
Analyses Chimiques Carbonate De Calcium La Calcimètrie est une méthode d’analyse qui estime le taux des carbonates dans une roche à l’aide du calcimètre Bernard (Vatan, 1967). Elle consiste à introduire dans un erlenmeyer 1g de matériau broyé et un tube de verre contenant de l’acide chlorhydrique à 30%. L’erlenmeyer 5
pas de 0.2 (2 θ ). Les données collectées sont traitées par un logiciel qui donne directement les spectres que l’on peut comparer à une banque de données. Pour la préparation des échantillons bruts, les argiles prélevées sur le terrain sont d’abord séchées à la température et l’atmosphère ambiantes du laboratoire. Après séchage et tamisage grossier, le matériau est broyé AJST, Vol. 9, No. 1: June, 2008
F. GUERRAOUI dans un mortier en agate. Les diffractogrammes de rayons x des quatre matériaux à l’état brut ont été dépouillés puis représentés. RESULTATS ET DISCUSSIONS Sedimentologie et Stratigraphie Pour la première fois, une étude géologique est abordée sur les argiles de la poterie de Safi. Nous avons d’abord établi une datation des niveaux argileux par corrélation de faciès et il s’est avéré qu’ils peuvent être rattachés au Valanginien inférieur- Hauterivien supérieur. L’analyse sédimentologique des dépôts a montré du bas vers le haut la succession du faciès d’argiles brunes massives, ensuite brunes finement litées. Les laminations sont horizontales (litage plan horizontal) ; par endroit, il apparaît des stratifications en arêtes de poissons (herringbone crossbedding) et sont caractérisées par la superposition de lamines obliques de sens opposés. Cette structure est produite surtout dans les tidals flats par les inversions périodiques de courants de marée. Ce type de figure sédimentaire est caractéristique des boues argileuses côtières margino littorales ou muddy coastlines (Reading, 1996). Les traces de bioturbations sont très importantes dans ce faciès et délimitent par endroits un niveau repère qui sépare les argiles brunes finement litées des argiles à niveaux décolorés. Le sommet de la coupe est caractérisé par le faciès d’argiles grisâtres où l’influence de la pédogenèse est plus marquée avec l’apparition d’horizons à carbonatation diffuse. En comparaison avec la formation des argiles brunes de la falaise de Safi, les similitudes nous permettent de proposer un milieu de dépôt margino- littoral pour la mise en place
des argiles décrites précédemment. La morphoscopie des grains observés sous la loupe binoculaire a montré que la fraction grossière ( Φ > 80 µm) des quatre échantillons de matériaux analysés est formée principalement de grains de quartz détritique anguleux, présentant des traces de corrosions diagénétiques, de chlorite, d’illite, d’oxydes de fer, et de rares fibres de gypse. L’ensemble de ces observations montre l’importance des apports terrigènes. Analyses Granulometriques et Test de Plasticite Le tableau 1 donne la répartition détaillée selon les différents diamètres de grains et représente une synthèse des principales caractéristiques granulométriques et sédimentométriques de chaque échantillon de matériau étudié. Ces résultats montrent que ces matériaux sont constitués de particules très fines. Le pourcentage de la fraction dont le diamètre ( Φ ) est supérieur à 80 µm est quasi nul et celui des particules de diamètre inférieur à 80 µm varie entre 99,8 et 99,99%. La fraction argileuse ( Φ < 2 µm) est comprise entre 38 et 40%. Le tableau 1 présente aussi les différents résultats obtenus pour la limite de liquidité (WL), la limite de plasticité (WP), l’indice de plasticité (IP) et la teneur en eau (W). Les quatre échantillons de matériaux ont les valeurs voisines de IP, WL et de WP. La teneur en eau (W) est plus faible pour les échantillons de matériaux A et E qui se situent respectivement en bas et en haut de la coupe de la carrière. D’après l’abaque de Plasticité de Casagrande (Figure 4) qui met en valeur la limite de liquidité WL en fonction de l’indice de plasticité IP, il apparaît que tous les échantillons de matériaux (A, B, C et E) se situent dans le domaine AT des argiles très plastiques.
Tableau 1: Analyse granulométrique, plasticité et teneur en eau
Echantillon
WL (%)
WP (%)
IP (%)
Ø < 0.08 mm (%)
Ø < 2 µm (%)
Densité sèche
W (%)
A B C E
50 51 53 52
24 26 26 26
26 25 27 26
99.8 99.8 99.9 99.8
38 38 40 39
1.94 1.92 1.93 1.92
8 14 12 7
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Caracterisations Mineralogique et Geotechnique des Argiles Utilisees dans la Ceramique de Safi (Maroc)
Figure 4: Position des argiles étudiées dans l’abaque de plasticité de Casagrande (Philipponat, 1979)
Analyses Chimiques Calcimetrie Le taux des carbonates mesuré dans les niveaux argileux A, B, C et E est assez important et diminue de bas en haut de la coupe réalisée (Figures 3 et 5). Les artisans rajoutent systématiquement du carbonate de calcium sous forme de chaux dans ces matériaux pour stabiliser l’argile utilisée et empêcher ainsi l’affaissement des articles durant le tournage. Les pourcentages trouvés dans nos analyses ne justifient pas l’ajout d’un dégraissant tel que la chaux au cours du façonnage; de ce fait, les argiles de la carrière d’extraction peuvent être utilisées naturellement. Analyses Mineralogiques Les diffractogrammes de rayons x des matériaux à l’état brut (Figure 7) nous ont permis d’identifier les différents minéraux. Les distances mesurées sur les réflexions (001) peuvent selon leurs valeurs être attribuées aux différentes 7
espèces de minéraux argileux. De nombreux travaux (Brown & Brindley, 1980 ; Drits & Tchoubar, 1990) ont montré toute la difficulté de relier la structure réelle des argiles à la forme et à la position des réflexions présentes sur un diagramme de rayons x. Néanmoins, l’interprétation qualitative de ces diffractogrammes peut permettre d’identifier les différentes espèces minérales par comparaison avec les données disponibles dans la littérature (Moore & Reynolds, 1989). Les diffractogrammes obtenus (Figure 7) montrent que ces matériaux se composent de phases minérales suivantes : quartz, feldspath, calcite, dolomite, kaolinite et illite dans des proportions variables. Cette composition se justifie par les pics caractéristiques. On note la présence de : quartz (d = 4,21 Å et d = 3,34 Å) comme impureté majeure dans les quatre échantillons ; la dolomite (d = 2,89 Å) est présente dans les quatre échantillons ; la calcite (d = 3,03 Å) est présente dans les échantillons (A, B, C) et en quantité faible dans l’échantillon E. Les réflexions à d = 3,77Å et d = 3,20 Å sont attribués à des feldspaths de type plagioclase. Pour les phyllosilicates 1 :1 et 2 :1, on note la présence de AJST, Vol. 9, No. 1: June, 2008
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Figure 5: Pourcentage du Carbonate de Calcium dans les argiles étudiées
Figure 6: Pourcentage de matière organique dans les matériaux argileux étudiés
la kaolinite (d = 7,18 Å et d = 3,60 Å) ; les pics à 9,9 Å et à 5 Å mettent en évidence la présence d’une illite. Les pics correspondant à ces deux dernières phases disparaissent lorsque l’échantillon est traité à 1000°C pendant 4 heures, ce qui montre qu’il peut bien s’agir de phyllosilicates. En outre, après cuisson d’échantillons de tous ces matériaux, les pics résiduels montrent bien que les phases restantes sont constituées essentiellement de quartz et de feldspath.
peuvent selon leurs valeurs être attribuées aux différentes espèces de minéraux argileux. De nombreux travaux (Brown & Brindley, 1980 ; Drits & Tchoubar, 1990) ont montré toute la difficulté de relier la structure réelle des argiles à la forme et à la position des réflexions présentes sur un diagramme de rayons x. Néanmoins, l’interprétation qualitative de ces diffractogrammes peut permettre d’identifier les différentes espèces minérales par comparaison avec les données disponibles dans la littérature (Moore & Reynolds, 1989).
Analyses Mineralogiques Les diffractogrammes de rayons x des matériaux à l’état brut (Figure 7) nous ont permis d’identifier les différents minéraux. Les distances mesurées sur les réflexions (001) AJST, Vol. 9, No. 1: June, 2008
Les diffractogrammes obtenus (Figure 7) montrent que ces matériaux se composent de phases minérales suivantes : quartz, feldspath, calcite, dolomite, kaolinite et illite dans des proportions variables. Cette composition se justifie 8
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Figure 7: Diffractogrammes de rayons X des matériaux bruts étudiés
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F. GUERRAOUI par les pics caractéristiques. On note la présence de : quartz (d = 4,21 Å et d = 3,34 Å) comme impureté majeure dans les quatre échantillons ; la dolomite (d = 2,89 Å) est présente dans les quatre échantillons ; la calcite (d = 3,03 Å) est présente dans les échantillons (A, B, C) et en quantité faible dans l’échantillon E. Les réflexions à d = 3,77Å et d = 3,20 Å sont attribués à des feldspaths de type plagioclase. Pour les phyllosilicates 1 :1 et 2 :1, on note la présence de la kaolinite (d = 7,18 Å et d = 3,60 Å) ; les pics à 9,9 Å et à 5 Å mettent en évidence la présence d’une illite. Les pics correspondant à ces deux dernières phases disparaissent lorsque l’échantillon est traité à 1000°C pendant 4 heures, ce qui montre qu’il peut bien s’agir de phyllosilicates. En outre, après cuisson d’échantillons de tous ces matériaux, les pics résiduels montrent bien que les phases restantes sont constituées essentiellement de quartz et de feldspath.
et la kaolinite comme minéraux argileux. Les autres minéraux présents sous forme d’impuretés majeurs sont le quartz, la calcite, la dolomite et les feldspaths.
CONCLUSION
L’ensemble de ces résultats montre des caractéristiques intéressantes qui justifient l’utilisation de ces argiles en technologie céramique.
La caractérisation des argiles utilisées par les potiers de Safi a porté sur les analyses chimiques, minéralogiques, granulométriques et sur les essais géotechniques. Ces argiles présentent des propriétés contrôlées principalement par la minéralogie et la granulométrie des sédiments. L’étude géologique permet de rattacher ces dépôts argileux au Valanginien inférieur- Hauterivien supérieur et de revoir le terme argile qui leur est communément attribué. A la lumière des données minéralogiques nouvelles, l’appellation argilites silto-carbonatées semble plus appropriée pour ce type de roches. Les analyses granulométriques ont mis en évidence la présence d’une fraction fine ( Φ < 80 µm) qui est de
99.99%. La fraction argileuse ( Φ < 2 µm) varie de 38 à 40%. L’indice de plasticité (IP) de ces matériaux varie de 25 à 27, ce qui les situe dans le groupe des argiles très plastiques. Bien qu’il soit difficile de relier la structure réelle des argiles à la forme et à la position des réflexions présentes sur les diagrammes de DRX, nous avons pu procéder dans une première étape à une interprétation qualitative. Les diffractogrammes de rayons x nous ont permis d’identifier les différents minéraux qui composent chaque échantillon de matériau. Par comparaison avec les données disponibles dans la littérature, nous avons identifié l’illite
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La matière organique en quantité importante est un facteur déterminant qui améliore considérablement la plasticité de ces argiles. Le taux des carbonates relevé est si important qu’il n’est pas nécessaire d’ajouter un autre dégraissant au façonnage. Les matériaux utilisés dans la céramique de Safi sont des argiles illitiques et kaoliniques. Elles contiennent suffisamment de dégraissant et de fondant (quartz et feldspaths) qui jouent un rôle essentiel durant la cuisson, en facilitant l’évacuation de l’eau, la diminution des problèmes de retrait et en assurant un bon frittage.
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