Aperçu de l'évaluation des gisements d'argile d'Abu Zenima en tant que source potentielle de matières premières pour l'industrie de la céramique : télédétection et caractérisation

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 58 (2023) Citer cet article

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Le développement rapide et les mutations ont accéléré l'industrialisation de la céramique pour répondre aux besoins des pays du monde entier. Par conséquent, l'exploration continue de nouvelles réserves d'éventuelles matières premières céramiques est nécessaire pour submerger la demande croissante des industries céramiques. Dans cette étude, l'évaluation de la pertinence des applications potentielles des gisements d'argile du Crétacé supérieur (Santonien) dans la région d'Abu Zenima, en tant que matières premières dans les industries de la céramique, a été réalisée de manière approfondie. Les données de télédétection ont été utilisées pour cartographier la formation contenant de la kaolinite ainsi que pour déterminer les occurrences supplémentaires de réserves d'argile dans la zone étudiée. Dans ce contexte, dix matériaux argileux représentatifs de la Formation de Matulla ont été échantillonnés et examinés pour leurs caractéristiques minéralogiques, géochimiques, morphologiques, physiques, thermiques et de plasticité. Les compositions minéralogiques et chimiques des matériaux argileux de départ ont été examinées. Les propriétés physico-chimiques de surface de l'argile étudiée ont été étudiées en utilisant SEM-EDX et TEM. L'analyse granulométrique a confirmé les caractéristiques adéquates des échantillons pour la fabrication de grès cérame blanc et de carreaux céramiques. Les propriétés technologiques et d'adéquation des gisements d'argile étudiés ont prouvé la pertinence industrielle de l'argile d'Abu Zenima en tant que matière première céramique potentielle pour divers produits céramiques. L'existence de réserves élevées de kaolin dans la zone étudiée avec une qualité et une quantité raisonnables a une importance régionale. Cela aiderait considérablement à réduire le coût de fabrication et à dépasser le taux de consommation élevé. Les fabricants de céramique dans les zones étudiées devraient attirer des producteurs stables dans l'industrie à long terme pour tirer parti des matières premières, de la main-d'œuvre et de la construction d'usines à faible coût.

Les argiles naturelles sont généralement des matériaux anciens abondants et bien connus utilisés par les humains et sont encore largement utilisées dans diverses applications. Les argiles, en particulier, ont un record d'utilisation exceptionnel dans plusieurs industries, telles que les briques de construction, les infrastructures, les insecticides, les filtres à eau, le caoutchouc, les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels. En outre, les argiles ont récemment été impliquées dans la conception de nouveaux matériaux et composites à diverses fins de développement, telles que les céramiques traditionnelles et techniques1, les agrégats légers2, les composites métalocéramiques hybrides3, les géopolymères4, les adsorbants5, les composites de mousse syntactique légère6, la préservation des lipides7, les matériaux de construction cimentaires8, les membranes céramiques à faible coût9 et les supports pharmaceutiques dans les systèmes d'administration de médicaments10.

Les argiles sont naturellement composées de minéraux argileux, de sédiments non argileux et d'une certaine quantité d'humidité. Les argiles sont généralement une combinaison d'aluminosilicates hydratés à structure stratifiée existant avec des rapports de dioxyde de silicium (SiO2)/oxyde d'aluminium (Al2O3) allant de 2,0/1,0 à (4,0–5,0)/1,01. Les argiles peuvent être subdivisées en plusieurs catégories, y compris les argiles riches en montmorillonite, kaolinite, illite et chlorite. La sélection d'argiles appropriées comme matière première primaire pour les produits céramiques à base d'argile peut être déterminée en fonction de leurs propriétés minéralogiques, chimiques, physiques et granulométriques11. À l'échelle mondiale, les argiles riches en kaolinite sont les minéraux aluminosilicates les plus abondants et les plus largement utilisés, en particulier en Égypte12. La kaolinite (\({\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}\cdot 2{\mathrm{SiO}}_{2}\cdot 2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\)) est considérée comme les minéraux abondants qui existent dans la croûte terrestre. Par conséquent, les argiles riches en kaolin et en kaolinite sont largement utilisées dans la fabrication de céramiques traditionnelles. Historiquement, les gisements de kaolin ont été à l'origine la première matière première utilisée dans l'industrie céramique et restent l'application industrielle la plus connue des gisements de kaolin. Les propriétés les plus importantes existant naturellement dans le kaolin à des fins céramiques sont la plasticité, la taille des particules et la couleur cuite. De plus, il existe différents types d'argiles utilisées dans l'industrie de la céramique, telles que les argiles plastiques à cuisson blanche (ball clays)13, les argiles à cuisson blanche à plasticité moyenne à faible14, les argiles plastiques à cuisson rouge15, les argiles à cuisson rouge avec carbonates16. Les argiles céramiques pourraient être dans les conditions de dépôt d'origine ou avoir été enfouies, avec les effets associés de la diagenèse. Ces conditions pourraient conduire à la consolidation progressive du sédiment (c'est-à-dire de l'argile à l'argilite en passant par le schiste) jusqu'à la lithification (ardoise) avec des modifications conséquentes de la composition minéralogique (c'est-à-dire illite-smectite interstratifiée > illite > séricite) et des propriétés physiques (notamment plasticité et broyabilité). Les usines de céramique peuvent transformer des sédiments non consolidés en matériaux argileux modérément consolidés, mais l'argile fortement lithifiée doit généralement être traitée comme des « matériaux durs » (c'est-à-dire des roches feldspathiques)16,17.

L'augmentation de la population est l'un des principaux facteurs de croissance de la demande pour le marché de la céramique. En outre, le déplacement de la population de la campagne vers les zones urbaines a considérablement augmenté. Ce changement de niveau de vie nécessitera une amélioration de l'assainissement et de l'hygiène. De plus, le COVID-19 a gravement affecté l'industrie de la construction en raison des fermetures. Par conséquent, il existe une demande croissante du marché pour les minéraux de kaolin, les matériaux de construction et les produits céramiques. Par conséquent, l'exploration continue de nouvelles réserves de gisements de kaolin est nécessaire pour submerger la demande croissante des industries céramiques et la pénurie de ressources.

La présente étude visait à évaluer les argiles riches en kaolinite inexploitées de la région d'Abu Zenima, dans le sud du Sinaï, en Égypte, pour diverses applications céramiques. Premièrement, des techniques de télédétection ont été utilisées pour évaluer les réserves de kaolin dans la zone étudiée pour la délimitation régionale des formations kaolinifères. Par la suite, le contexte géologique et les unités lithologiques de la région d'Abu Zenima ont fait l'objet de discussions approfondies. En outre, la conception expérimentale s'engage comme suit : (1) identifier les principales caractéristiques des échantillons d'argile collectés en termes de propriétés physiques, chimiques, thermiques, phases et microstructurales, y compris la spectroscopie de fluorescence X (XRF), la diffraction des rayons X (XRD), la capacité d'échange de cations (CEC), l'analyse infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR), la microscopie électronique à balayage (SEM), le microscope électronique à transmission (TEM), le spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (EDX), les mesures d'adsorption/désorption d'azote , et analyse thermique gravimétrique (TG) et thermique différentielle (DTA); (2) l'analyse granulométrique à l'aide de deux méthodes différentes a également été étudiée ; (3) la plasticité, les courbes de Bigot et l'étude granulométrique ont été appliquées avec précision afin d'avoir un aperçu de la pertinence des échantillons d'argile examinés pour la fabrication de produits céramiques ; et (4) l'importance régionale de la présente étude a été présentée. Par conséquent, cette étude peut combler avec succès le vide dans les études des gisements d'argile de la région du Moyen-Orient pour aider l'économie locale en attirant les industries consommatrices.

La région d'Abu Zenima est l'une des localités essentielles de l'Égypte pour les ressources sédimentaires en kaolinite. Il possède la meilleure qualité et les meilleures réserves de kaolinite d'Égypte, estimées à environ 120 millions de tonnes18,19. Les unités de surface lithologiques de la région d'Abu Zenima vont des roches du socle précambrien aux dépôts quaternaires (Fig. 1). Les roches du socle sont représentées principalement par des schistes métamorphiques, des gneiss et des migmatites, en plus de granitoïdes plus anciens recoupés par des granites plus jeunes et des ensembles de dykes de compositions diverses, qui ont recoupé des successions sédimentaires qui ont accompagné différents événements tectoniques20,21,22.

La carte géologique de la zone d'étude s'est produite le long du côté est du golfe de Suez (modifiée après Moustafa (1993)22 (numéro de permission # 5437641072307) en utilisant CorelDraw X3 sur l'image Sentinel-2A MSI améliorée (S2A_MSIL1C_20190220T081951_N0207_R121_T36RWT_2019022 0T102134, Copernicus Open Access Hub ; https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home), traité à l'aide d'Envi 5.4 (version d'essai, https://www.l3harrisgeospatial.com/Software-Technology/ENVI).

Les roches sédimentaires constituent une partie intéressante de l'exploration de la kaolinite, en particulier celles des âges carbonifère et crétacé18. L'affleurement substantiel de membres porteurs de kaolinite dans la zone d'étude appartient à la Formation de Matulla du Crétacé supérieur (Santonien), qui est exposée à l'extrémité de Wadi Khaboba et au nord de la plaine d'El Markha (Fig. 1). Cette formation est composée d'argiles interstratifiées, de marnes et de grès de 60 m d'épaisseur23,24. La zone actuelle a été soumise à des tectoniques successives au cours des âges géologiques qui ont laissé une série de failles d'orientations diverses (NNW–SSE, NE–SW et E–W)25. La figure 1 montre la distribution surfacique des unités lithologiques dans la zone d'étude.

Des données de télédétection multispectrales (Sentinel-2A MSI) ont été utilisées pour cartographier la formation à kaolinite ; ce produit a une résolution radiométrique de 12 bits qui fournit une saturation de bande peu fréquente sur des surfaces hautement réfléchissantes26. Les ensembles de données Sentinel-2A MSI L1C ont été acquis auprès du Copernicus Open Access Hub (https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home). Il dispose de 13 bandes spectrales différentes couvrant la région spectrale de longueur d'onde visible et infrarouge à ondes courtes. La variation de résolution spatiale pour les bandes spectrales a conduit à l'utilisation de ces données dans diverses applications (tableau 1). Le jeu de données Sentinel-2A MSI L1C est extrait du produit MSI L1B à l'aide de méthodes de correction radiométrique et géométrique. Le tableau 1 présente les caractéristiques des bandes spectrales Sentinel-2A MSI.

Les données Sentinel-2A MSI ont été prétraitées à l'aide de la méthode de correction atmosphérique, réalisée par l'algorithme Dark Object Subtraction (DOS1) présenté à partir du plugin de classification semi-automatique27 pour QGIS version 7.6.1. Toutes les bandes de l'ensemble de données de réflectance de surface ont été empilées et rééchantillonnées à une résolution spatiale de 10 m à l'aide de la méthode bilinéaire et moyenne ; puis, il a été spatialement sous-ensemble à la zone d'intérêt en utilisant SNAP (version 7.0).

Les méthodes de traitement du rapport de bande (BR) et de l'analyse en composantes principales (ACP) ont été utilisées pour la cartographie particulière des minéraux de kaolinite. Tout d'abord, la technique du rapport de bande a été appliquée pour afficher les dépôts potentiels de kaolin en utilisant des rapports qui mettent l'accent sur les caractéristiques spectrales du matériau de surface significatif et suppriment les autres28,29,30,31. Le minéral de kaolinite présente une réponse de réflectance spectrale distincte pour les régions d'ondes visibles et courtes du spectre électromagnétique32. Les principales caractéristiques d'absorption de la courbe spectrale de la kaolinite se produisent autour de 1, 2, 10 et 12 bandes basées sur différents ions et groupes ioniques33. Par conséquent, les combinaisons de rapports utilisées dans cette étude pour discriminer la formation contenant de la kaolinite sont B8/B4, B4/B2 et B11/B12 comme RVB (Fig. 2a). La frontière entre les sédiments (couleurs vert jaunâtre et violet) et les roches du socle (couleur bleu foncé) est délimitée dans l'image BR résultante.

Illustre (a) l'image composite couleur RVB des rapports B8/B4, B4/B2 et B11/B12, (b) l'indice minéral de kaolinite basé sur le rapport de bande (B4/B8)*(3 + 4)/11 (les pixels rouges font référence à la formation de Matulla et les pixels jaunes font référence aux autres unités géologiques argileuses), et (c) l'image composite couleur RVB de PC1, PC2 et PC3 indique les occurrences de minéral kaolinite (minéraux argileux : pixels jaunes). Ces chiffres ont été générés à partir de l'image Sentinel-2A MSI (S2A_MSIL1C_20190220T081951_N0207_R121_T36RWT_20190220T102134, Copernicus Open Access Hub ; https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home) en utilisant les outils de traitement et d'analyse Envi 5.4 (version d'essai, https:// www.l3harrisgeospatial.com/Software-Technology/ENVI).

Étant donné que la formation à Kaolinite n'est pas clairement visible (couleur violet très clair), le rapport ((B4/B8) * (3 + 4)/11) a été utilisé pour se concentrer sur la meilleure présentation de l'indice de kaolinite34. Les pixels de kaolinite ont été coupés pour la formation du Crétacé et présentés sur une image en niveaux de gris pour une clarification simple (Fig. 2b). De plus, une analyse en composantes principales (ACP) a été appliquée aux bandes Sentinel-2A MSI, qui a utilisé la corrélation entre les bandes spectrales et le calcul de la variance des données pour confirmer la délimitation des unités lithologiques et de la formation à kaolinite. Les trois pourcentages élevés de variance de données PC1, PC2 et PC3 se sont avérés influents pour discriminer les occurrences de minéral de kaolinite (pixels jaunes) dans la Formation de Matulla (âge Crétacé) des autres membres géologiques argileux (pixels rouges) dans la région d'étude (Fig. 2c). De toute évidence, la formation intéressante a été observée dans d'autres régions dispersées, comme dans le nord et les parties médianes (Fig. 2).

Compte tenu de la carte géologique précédente et des résultats des étapes de traitement sur Sentinel-2A MSI, des échantillons ont été prélevés dans la Formation à kaolinite (Matulla), en particulier dans la partie sud de la région étudiée (symbole S ; tracé sur la Fig. 1) afin d'étudier leurs propriétés. Cette partie sud sélectionnée est considérée comme une zone directrice pour cette formation dans d'autres occurrences.

Dix échantillons d'argile représentatifs ont été prélevés sur l'affleurement des éléments porteurs de kaolinite de la formation de Matulla dans la région d'Abu Zenima, dans le sud du Sinaï, en Égypte. L'échantillonnage a été obtenu à partir de dix sites dans la zone étudiée (étiquetés comme AZ01-AZ010). Chaque échantillon étiqueté (pesé d'environ 15,0 kg) représente trois sous-échantillons (pesés d'environ 5,0 kg), prélevés dans la couche supérieure, moyenne et inférieure d'affleurement d'argile kaolinitique. Par la suite, les trois sous-échantillons collectés ont été mélangés et divisés en quartiers afin d'assurer un échantillon d'argile représentatif et statistiquement valide sur chaque site. Ensuite, les échantillons collectés ont été séchés séparément au four à 60 ± 1 °C pendant 36 h. Ensuite, chaque aliquote a été broyée manuellement et broyée à l'aide d'un broyeur à boulets d'agate de laboratoire, puis passée à travers des tamis de 63 μm.

L'analyse minéralogique des échantillons d'argile étudiés a été évaluée à l'aide de DRX (diffractomètre Bruker D8 Discover) avec une tension d'accélération de 40 kV, un courant de 30 mA et une longueur d'onde de rayonnement Cu Kα (λ = 1,5418 Å). Le balayage a été effectué dans une plage d'angle 2θ de 3° à 80°. L'analyse XRF a été effectuée pour avoir un aperçu de la composition chimique des échantillons d'argile étudiés (spectromètre Philips PW 2400 WXRF). L'analyse infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) de l'échantillon AZ04 étudié a été effectuée à l'aide d'un spectromètre IR Bruker Vertex-70 (Allemagne) équipé d'un interféromètre à cristal solide et diamant à température ambiante. Les spectres FT-IR ont été obtenus avec 256 balayages par échantillon à une résolution de 4 cm-1 dans une gamme de longueurs d'onde de 4000 à 400 cm-1. L'évaluation de la morphologie de la surface des particules de l'échantillon AZ04 étudié a été examinée à l'aide de la microscopie électronique à balayage (SEM) dans une plage de grossissement de 5 à 20 kx avec un potentiel d'accélération de 20 kV en utilisant un SEM JEOL JSM-6610LV couplé à un spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (EDX; Oxford Energy Dispersive X-Max 20 mm2). Pour les caractéristiques structurelles et morphologiques internes de l'échantillon AZ04 étudié, un microscope électronique à transmission (MET) a été réalisé à une plage de grossissement de 20 à 50 kx (FEI, Tecnai G2 F20, 80 à 300 kV). Les mesures d'adsorption/désorption d'azote ont également été effectuées pour l'échantillon AZ04 étudié afin d'évaluer la surface spécifique et la taille des pores (Barrett-Joyner-Halenda (BJH), Langmuir et Brunauer–Emmett–Teller (BET)) à l'aide d'un Micromeritics ASAP 2020 à 77 K. 500 μV, Linseis, Allemagne) avec une vitesse de chauffe de 10 °C/min allant de 30 °C à 1000 °C. De plus, la capacité d'échange de cations (CEC) des échantillons d'échantillons AZ04 étudiés a été estimée sur la base de la méthode ASTM C 837–815.

L'analyse granulométrique des échantillons d'argile a été réalisée à l'aide de deux méthodes basées sur la fraction granulométrique : les méthodes de tamisage humide et de pipette-sédimentation35,36. Les paramètres de plasticité ont été déterminés par les évaluations des limites d'Atterberg (ASTM, D 4318-10), y compris l'indice de plastique (PI), la limite de plastique (PL) et la limite de liquidité (LL). Cependant, le LL et le PL ont été réalisés selon la méthode de Casagrande37, et la différence entre LL et PL a été utilisée pour calculer les valeurs PI (PI = LL – PL)11,38. L'indice de variabilité de la composition (ICV ; équation 1) et l'indice d'altération chimique (CIA ; équation 2) ont été déterminés à partir des équations suivantes :

Les courbes de Bigot ont été obtenues dans des conditions de température ambiante en utilisant un barelattographe Adamel. Pendant le séchage, le retrait linéaire au séchage a été dérivé des courbes de Bigot et le coefficient de sensibilité au séchage (DSC) a été calculé selon l'équation suivante : DSC = [(teneur en eau de l'échantillon de plastique) - (teneur en eau à retrait constant)]/(teneur en eau à retrait constant)35,39,40. Brièvement, l'argile étudiée a été concassée et laminée pour une granulométrie grossière de 1 mm. Le façonnage de l'argile nécessite une certaine quantité d'eau en morceaux de dimension 15 × 15 × 30 mm (pour mesurer le poids et la longueur des morceaux humides). Ces pièces ont été soumises à un séchage à l'air libre dans l'appareil d'Adamel Barellatograph. Cet appareil permet de suivre et tracer la courbe de séchage en fonction de la perte de masse. A la fin du séchage, les morceaux ont été pesés et séchés à l'étuve pendant 24 h à 110 °C pour mesurer la masse finale et les longueurs sèches. Ces paramètres permettent de mesurer le retrait de séchage et l'eau nécessaire au façonnage, à l'interposition et au colloïdal.

Les analyses minéralogiques quantitatives des échantillons d'argile en vrac étudiés provenant de l'affleurement des éléments porteurs de kaolinite de la formation de Matulla dans la région d'Abu Zenima ont été effectuées et tabulées dans le tableau 2. Le résultat obtenu n'a indiqué aucune différence significative entre les échantillons d'argile collectés dans la composition minéralogique. De plus, les résultats montrent que la kaolinite et le quartz sont les constituants prédominants de tous les échantillons, avec des pourcentages mineurs d'illite, d'hématite et de feldspath. Les quantités de kaolinite dans les échantillons étudiés variaient de 63,00 % en poids dans l'échantillon AZ08 à 71,00 % en poids dans l'échantillon AZ04. Cependant, les quantités de quartz dans les échantillons étudiés variaient de 27,00 % en poids comme dans l'échantillon AZ02 à 34,00 % en poids dans les échantillons AZ05, AZ06 et AZ08 (tableau 2). Des quantités mineures d'illite (jusqu'à 2,00 % en poids) ont été détectées dans la plupart des échantillons, à l'exception des échantillons AZ02, AZ07, AZ08 et AZ09. De plus, des traces d'hématite (jusqu'à 3,00 % en poids) et de feldspath (1,00 % en poids) ont également été identifiées dans quelques échantillons. La figure 3a montre le modèle XRD orienté de l'échantillon représentatif sélectionné (AZ04). Dans l'échantillon représentatif, trois principales phases uniques ont été détectées : kaolinite, quartz et illite. Les pics proéminents de kaolinite ont été identifiés et confirmés par les réflexions caractéristiques à 2θ = 12,24° (001), 20,18° (réflexions multiples) et 26,15° (002)41. Selon la loi de Bragg, l'espacement calculé entre les couches des principales réflexions de kaolinite s'est avéré être d(001) = 0,72 nm et d(002) = 0,34 nm. Les principales réflexions de quartz ont été trouvées à 2θ = 20,9 et 26,6°, comme en témoignent les valeurs rapportées dans le tableau 2. De plus, la faible réflexion à 2θ = 16,9° a prouvé l'existence de traces d'illite. La présence des quantités susmentionnées d'illite et de kaolinite sont des propriétés favorables à l'utilisation de la céramique42. La figure S2 compare les modèles XRD de tous les échantillons étudiés (matériel supplémentaire).

Montre la caractérisation de l'échantillon étudié : (a) modèles XRD, (b) spectres FT-IR, (c) isotherme d'adsorption-désorption N2 et (d) courbes DTA/TG.

La figure 3b montre les bandes FT-IR de l'échantillon d'argile étudié (AZ04). Plusieurs bandes d'absorption sont présentées dans ce diagramme IR, et ces bandes correspondent à la vibration de divers groupes fonctionnels. Généralement, la kaolinite comprend quatre groupes hydroxyle distincts43. Les bandes d'absorption de ces quatre groupes hydroxyle ont été détectées dans une gamme de longueurs d'onde comprise entre 3500 et 3800 cm-1. Ces groupes hydroxyle sont l'hydroxyle de l'eau absorbée (3619 cm-1), l'hydroxyle de la surface interne (3669 cm-1), l'hydroxyle interne (3647 cm-1) et l'hydroxyle de la surface externe (3698 cm-1)44. De plus, les bandes observées à 1121, 1030 et 1003 cm−1 ont été attribuées aux vibrations d'étirement asymétriques des liaisons Si–O. Cependant, la bande à 528 cm−1 a été attribuée à la liaison Al–O–Si dans la kaolinite41. Les bandes à 910 et 790 cm−1 indiquent les vibrations de Si–O–Si et la vibration d'étirement des groupes Al–OH, respectivement. De plus, la bande à 751 et 683 cm−1 a été attribuée aux bandes d'étirement Si–O45. La bande à 528 cm−1 a été attribuée à la flexion O–Al–O et à la déformation Al–O46. La bande à 460 cm−1 a été attribuée aux bandes de flexion/déformation Si–O. La bande d'étirement Si–O–Si a de nouveau été observée à 421 cm−1. Les résultats FT-IR obtenus et les bandes considérées ont confirmé la présence de kaolinite et de quartz dans l'échantillon étudié.

La figure 3c illustre les isothermes d'adsorption-désorption N2 de l'échantillon d'argile étudié (AZ04). Selon la classification IUPAC, l'échantillon d'argile étudié suit une isotherme de type IV47. L'isotherme de type IV est spécifiquement caractéristique des matériaux mésoporeux, typique des matériaux dont le diamètre moyen des pores est de 2 à 50 nm. Ce résultat confirme le caractère mésoporeux des échantillons d'argile étudiés. De plus, la boucle d'hystérésis H3 a été détectée dans l'échantillon étudié, indiquant l'emploi et l'évacuation des mésopores par condensation capillaire43. Les résultats ont révélé que l'échantillon d'argile étudié avait une surface BET, un volume total de pores et un diamètre moyen de pores de 8,63 m2 g−1, 0,05 cm3 g−1 et 23,40 nm, respectivement. De plus, la surface de Langmuir et la surface de BJH se sont avérées être respectivement de 6,64 et 11,01 m2 g−1. De plus, selon la méthode ASTM C 837-81, la CEC de l'échantillon étudié s'est avérée être de 11 méq/100 g. De plus, afin d'avoir un aperçu de la charge de surface de l'échantillon d'argile étudié, le point de charges nulles (pHpzc) a été déterminé comme indiqué sur la figure S1 (matériel supplémentaire). Le pHpzc a été déterminé par la méthode de dérive du pH, comme indiqué précédemment48,49, et s'est avéré être de 5,31 pour l'échantillon AZ04. La détermination du pHpzc est cruciale pour l'industrie céramique dans le cas où des modifications chimiques sont utilisées pour la matière première argileuse.

L'analyse thermique gravimétrique et l'analyse thermique différentielle (TG-DTA) ont été menées afin de mieux comprendre les variations physico-chimiques tout au long des effets endo et exothermiques. La figure 3d illustre les courbes TG – DTA de l'échantillon d'argile étudié à une plage de température de 30 à 1000 ° C. La figure 3d montre une perte de poids considérable dans l'échantillon AZ04 avec l'augmentation de la température de chauffage. A partir de la courbe DTA, quatre pics endothermiques successifs sont apparus. Cependant, aucun pic exothermique n'a pu être détecté avec la plage de température. Le premier pic endothermique a été observé dans une plage de température de 70 à 90 °C. Ce pic endothermique pourrait être attribué à l'élimination de l'eau hydroscopique ou à la déshydratation de l'eau intercouche des minéraux argileux existants (Fig. 3d). La perte de poids pour le premier pic endothermique à cette température s'est avérée être de 2,1 %. Avec l'augmentation de la température, le deuxième pic endothermique a été détecté dans une plage de température de 310 à 350 °C. Le pic endothermique à cette plage de température est caractéristique de la goethite. Au deuxième pic endothermique, la perte de masse était d'environ 1,0 %. Le troisième pic endothermique, un large pic endothermique est apparu et centré à une valeur de température de 528 ° C (Fig. 3d). L'apparition de ce grand pic pourrait être attribuée à la déshydroxylation de l'OH structurel de la kaolinite. Plus précisément, cette déshydroxylation s'est produite par la restructuration de la couche octaédrique de kaolinite en configuration tétraédrique dans la métakaolinite50. De plus, la conversion de la phase \(\alpha\)–quartz en phase \(\beta\)–quartz se produit également dans la même plage de température51. La perte de poids correspondante pour ce pic endothermique s'est avérée être de 11,7 %. Le dernier pic endothermique a été détecté entre 870 et 950 °C (Fig. 3d). L'existence de ce pic confirme la présence de kaolinite bien cristallisée, et ce pic endothermique est dû à la dégradation de la métakaolinite52. Le résultat obtenu a été réalisé en accord avec le résultat XRD.

SEM, TEM et EDX ont été effectués sur l'échantillon d'argile étudié pour avoir un aperçu de la morphologie de surface, de la structure interne et de la composition, respectivement. La figure 4a à c illustre les micrographies SEM pour l'échantillon étudié (AZ04) à différents grossissements. La surface de kaolinite est apparue avec une morphologie complexe montrant de petites plaquettes disposées au hasard allant de 0,5 à 2,0 μm (Fig. 4a). D'autre part, certaines particules de kaolinite présentaient des coins et des bords hexagonaux dans leur structure (Fig. 4b). De plus, la kaolinite dans l'échantillon étudié présentait des dislocations de particules dispersées au hasard dans des couches empilées (Fig. 4c). Ces dislocations pourraient se produire le long de l'axe Y et des multiples de b0/346. La figure 4d – f montre les images TEM de AZ04 à différents grossissements. L'analyse TEM a été effectuée pour divulguer les caractéristiques structurelles internes de l'échantillon étudié. La kaolinite présentait des particules bien cristallisées et bien constituées présentant une morphologie hexagonale et euhédrique typique (Fig. 4d, e). De plus, de grandes unités ont été observées sous forme de livrets ou de morphologie en plaques (Fig. 4f). Ces résultats indiquent la structure pseudo-hexagonale des couches de kaolinite. Les particules de kaolinite sont pour la plupart anisométriques avec une épaisseur infime (selon l'axe Z) par rapport à leurs autres dimensions. Les constituants chimiques sur les surfaces de l'échantillon d'argile ont été évalués par analyse EDX (Fig. 4g). Les résultats obtenus ont révélé que les constituants les plus abondants dans l'échantillon étudié étaient O, Si et Al. De plus, des quantités minimales de Ti et de Fe ont également été détectées. Les résultats EDX ont confirmé la XRD et l'analyse de la composition chimique, démontrant que la kaolinite et le quartz sont les constituants prédominants dans l'échantillon d'argile étudié.

Montre l'analyse morphologique de l'échantillon d'argile étudié : (a–c) micrographies SEM, (d–f) images TEM à différents grossissements et (g) spectres EDX.

L'analyse de la composition chimique des échantillons en vrac étudiés a été réalisée et est présentée dans le tableau 3. Les résultats obtenus ont révélé que SiO2, Al2O3 étaient les oxydes les plus abondants dans tous les échantillons, ainsi que des traces des autres oxydes répertoriés dans le tableau 3. Les résultats des quantités de SiO2, Al2O3 étaient en accord avec la composition minéralogique des échantillons d'argile étudiés. Les principaux oxydes existants (SiO2 et Al2O3) étaient principalement associés aux minéraux argileux et au quartz existants dans les échantillons (confirmés par XRD) (tableau 2). Cependant, en petites quantités, les autres oxydes tels que MgO, K2O, CaO, Na2O et P2O5 étaient présents dans tous les échantillons. La plage de valeurs de SiO2, Al2O3 et Fe2O3 dans les échantillons étudiés était respectivement de 53,28 à 56,07, de 26,84 à 28,43 et de 1,45 à 3,51 % en poids. Les valeurs de ces trois oxydes confirment que ces argiles sont souhaitables pour les produits céramiques53. De plus, la teneur en quartz des échantillons étudiés est tolérable puisque ces quantités peuvent être simplement digérées grâce au flux vitreux lors de la cuisson42. Généralement, Fe2O3 (oxyde de fer total) est le principal composant colorant dans les matériaux argileux. De plus, les quantités existantes de Fe2O3 sont sensibles à la cuisson (responsable de la couleur rougeâtre après cuisson) et génèrent généralement des résultats inattendus dans la texture et la couleur des terres cuites54,55. Les résultats obtenus ont montré une teneur élevée en Fe2O3 dans les échantillons AZ01, AZ02, AZ08 et AZ09 (tableau 3). Ces résultats pourraient être dus à la présence de minéraux d'hématite et d'illite dans les échantillons susmentionnés (tableau 2). Néanmoins, la teneur en Fe2O3 de l'argile est un facteur responsable de la coloration des céramiques et de la présence d'autres constituants tels que TiO2, MgO, CaO, MnO et peut influencer considérablement la couleur des terres cuites52. De plus, d'autres facteurs peuvent influencer la couleur des produits en argile cuite, tels que la température de cuisson, l'atmosphère du four et la teneur en Al2O3 de l'argile. Selon Piltz (1964), l'importance des oxydes (Al2O3, CaO et Fe2O3) pour la couleur à 100 % a été calculée, et le diagramme ternaire a été tracé montrant la couleur des échantillons d'argile étudiés (Fig. 5a)56. De plus, la corrélation négative entre Al2O3 et TiO2 ou Fe2O3 dans les échantillons étudiés (tableau 3) suggère que Fe et Ti pourraient être substitués à Al dans la structure kaolinite des échantillons argileux. L'existence de la teneur en CaO et MgO (oxydes alcalino-terreux) était faible, avec des valeurs inférieures à 0, 13 et 0, 38% en poids, respectivement (tableau 3). Ces valeurs de teneur indiquent l'absence de carbonates (argiles non calcaires) dans les échantillons57. La faible teneur en oxydes alcalino-terreux est très utile pour prévenir le retrait de la brique crue58. De plus, la quantité d'oxydes alcalins tels que K2O et Na2O dans les échantillons d'argile étudiés était relativement faible (moins de 0,24 % en poids) (tableau 3). En fait, les oxydes alcalins (c'est-à-dire K2O et Na2O) agissent comme des flux, les argiles kaolinitiques ont naturellement une quantité relativement faible d'oxydes de flux52,59. Les oxydes de fondant (2,49 à 3,36 % en poids ; tableau 3) tels que TiO2, Fe2O3, K2O, MgO et CaO sont importants pendant la cuisson, ce qui facilite la fusion des silicates et lie également les particules d'argile entre elles58. Les valeurs de perte au feu (LOI) pour les échantillons étudiés se situent dans une plage de 11,36 à 14,50 % en poids (tableau 3). Ces valeurs LOI obtenues pourraient être attribuées à la présence de matière organique, de matières volatiles substantielles, de la déshydroxylation des minéraux argileux et/ou de la décomposition des carbonates. Ces résultats se sont avérés en accord avec d'autres chercheurs lorsqu'ils ont étudié divers types d'argiles57,60,61,62. Ces résultats ont été préalablement confirmés par l'analyse thermique des échantillons étudiés comme le montre la Fig. 3d.

Illustre : (a) le diagramme à trois composants montrant les différences de couleur des briques cuites (d'après (Piltz (1964)56), (b) le diagramme ternaire CIA (d'après Nesbitt et Young (1982, 1984)63,64), (c) la classification texturale des sédiments argileux étudiés suivant la relation entre les composants sable, limon et argile et leurs contrôles sur la porosité et la perméabilité (d'après Shepard (1954)70).

À l'origine, le rapport massique SiO2/Al2O3 trouvé dans la kaolinite pure et la montmorillonite était respectivement de 1,18 et 2,3611. Le rapport SiO2/Al2O3 dans les échantillons argileux étudiés était compris entre 1,90 et 2,06. Les valeurs obtenues sont supérieures à la valeur originale de la kaolinite pure et inférieures à la montmorillonite, confirmant la présence de quartz dans les échantillons argileux étudiés.

De plus, deux indices différents, à savoir l'indice d'altération chimique (CIA) et l'indice de variabilité de la composition (ICV), ont été utilisés pour déduire la roche mère et la paléo-altération des échantillons d'argile étudiés. Le CIA, initialement proposé par Nesbitt et Young (1982, 1984), était couramment utilisé pour classer le degré d'altération chimique des roches mères63,64. Les valeurs CIA des échantillons d'argile étudiés se situent dans une plage de 98,07 à 98,65. Les valeurs impliquent que tous les échantillons d'argile de la zone étudiée ont été soumis à des conditions d'altération chimiques intensives (tableau S1). De plus, les conditions climatiques intensives ont conduit à un enrichissement en produits riches en Al. Les valeurs élevées du CIA indiquaient la maturité des gisements d'argile d'Abu Zenima et confirmaient que ces gisements d'argile contenaient des argiles résiduelles riches en kaolinite (Fig. 5b)65. L'ICV, initialement proposé par Cox et al. (1995), a été utilisé pour mesurer la maturité compositionnelle et l'abondance de l'alumine par rapport aux autres cations majeurs existants dans les échantillons étudiés66. Lorsque ICV \(\ge \hspace{0.17em}\)1.0, ces valeurs indiquent des roches de boue immatures sur le plan de la composition et la présence d'une grande quantité de minéraux silicatés non argileux. Au contraire, lorsque ICV \(<\) 1, cela révèle que l'échantillon est principalement constitué de minéraux argileux et de composition mature. Pour les échantillons étudiés, les valeurs d'ICV variaient de 0,15 à 0,18. Les très faibles valeurs d'ICV confirment que les échantillons étaient principalement de la kaolinite accumulée dans des environnements cratoniques et que la zone était tectoniquement au repos67,68.

La distribution granulométrique des matériaux argileux est un facteur important pour évaluer leur aptitude à plusieurs applications, notamment dans l'industrie céramique. En effet, la distribution granulométrique des matériaux argileux joue un rôle crucial lors du processus de séchage et de cuisson pour caractériser les propriétés des suspensions et des pâtes vertes (viscosité et plasticité)69. À cet égard, l'analyse de granulométrie a été effectuée pour avoir un aperçu des différentes tailles de particules et de leur quantité (% en poids) pour les échantillons d'argile étudiés (tableau 4). Les résultats obtenus de l'analyse granulométrique ont montré que les trois principales catégories de taille (sable, limon et argile) étaient présentes dans tous les échantillons d'argile étudiés. La fraction d'argile (particules < 2 µm) était la taille la plus prédominante dans les échantillons étudiés et se situait dans la plage de pourcentage de 47,7 à 61,7 %. L'existence de fractions argileuses avec des valeurs élevées est favorable à l'industrie céramique. La fraction de limon (gamme de particules de 2 à 60 µm) s'est avérée être le deuxième pourcentage le plus élevé (26,8 à 38,8 %) après la fraction d'argile (tableau 4). Une petite quantité de la fraction de sable (particules ˃ 60 µm) a également été détectée et trouvée dans une plage de 10,4 à 13,7 %. Dans l'ensemble, les échantillons d'argile analysés présentent une faible plage de variation de la distribution granulométrique. Cependant, la fraction de sable grossier (particules ˃ 60 µm) est le problème le plus important pour l'industrie céramique. Ce problème peut être simplement résolu par broyage et tamisage, et devient ensuite adapté aux produits céramiques. Les résultats obtenus à partir de l'analyse granulométrique ont ensuite été tracés dans le diagramme ternaire de Shepard (1954) (Fig. 5c)70. La classification de Shepard suggère que l'échantillon d'argile étudié pourrait être de l'argile limoneuse. De plus, le diagramme ternaire a également évalué la relation entre les fractions d'argile, de limon et de sable et leurs contrôles sur la perméabilité et la porosité (Fig. 5c). Selon la classification de Shepard, les échantillons étudiés ont été tracés dans les champs de faible porosité et de faible perméabilité (le même domaine de classification). La porosité et la perméabilité des échantillons étudiés ont également été confirmées par la classification et l'interprétation de McManus (1988)71.

La plasticité est considérée comme le paramètre le plus crucial pour la production de céramiques traditionnelles et la fabrication de produits argileux. La plasticité fournit les informations nécessaires sur la maniabilité de tout matériau sous contrainte sans se casser et sur l'influence sur la forme produite après avoir relâché cette contrainte. En d'autres termes, la plasticité peut fournir des informations sur l'utilisation des propriétés mécaniques et de la pression dans la production de corps en argile et de céramiques72. La plasticité des matériaux argileux peut être influencée par leur distribution granulométrique, leur morphologie, l'origine de la formation géologique, la composition minéralogique et les impuretés (c'est-à-dire la matière organique et les minéraux non argileux)54. De plus, la plasticité de l'argile est directement proportionnelle à sa teneur en eau, en particulier pour les minéraux argileux lamellaires73. Le tableau 4 montre les limites de cohérence de tous les échantillons étudiés, y compris LL, PL et PI. Les valeurs LL et PL des échantillons d'argile étudiés se situent respectivement entre 40,0 et 53,0 % et entre 24,0 et 28,0 %. Par conséquent, les valeurs PI ont été trouvées dans la plage de 14,0 à 28,0 %. Les résultats obtenus ont révélé que la fraction d'argile existante dans l'échantillon pourrait être un facteur important qui influence la plasticité, en plus de la composition minéralogique telle que la teneur en quartz. Ces résultats se sont avérés en accord avec d'autres auteurs lorsqu'ils ont étudié la plasticité d'autres dépôts d'argile42,72. Par la suite, les valeurs calculées des limites de cohérence (LL et PI) (%) ont été tracées sur le diagramme de Holtz et Kovacs (1981) (Fig. 6a)74. Ce diagramme a été initialement construit pour déterminer la position des matériaux argileux dans les trois niveaux de plasticité. Selon le diagramme de Holtz et Kovacs, les dépôts d'argile étudiés se situent dans la région d'argile plastique modérée, à l'exception des échantillons AZ01 et AZ02 (étoile bleue), qui se trouvent dans la région d'argile plastique élevée (Fig. 6a). L'emplacement de ces échantillons (AZ01 et AZ02) pourrait être attribué au pourcentage élevé de LL et à la quantité de fractions d'argile (particules < 2 µm) et de limon (gamme de particules de 2 à 60 µm) qui existaient dans ces échantillons. Généralement, les résultats obtenus dans le tableau 4 ont montré que les valeurs PI sont significativement affectées par les variations des valeurs LL. Les valeurs LL des échantillons étudiés ont été trouvées dans la plage LL acceptable (30 à 60 % ; d'après la littérature sur la céramique) pour la production de céramique69. D'autre part, pour les applications céramiques, les valeurs PL élevées du matériau argileux peuvent être responsables de difficultés de production telles que les étapes de séchage, de broyage et de cuisson. De plus, une plus grande résistance mécanique est toujours associée à des matériaux à plus grande plasticité53. Dans l'ensemble, les limites de consistance évaluées des échantillons d'argile étudiés confirment que la plupart de ces dépôts d'argile conviennent à diverses applications céramiques.

Montre : (a) La position des échantillons d'argile étudiés sur le diagramme de Holtz et Kovacs (d'après Holtz et Kovacs (1981)74) et (b) les courbes de Bigot de l'échantillon d'argile.

Afin d'avoir un aperçu du comportement des dépôts d'argile étudiés lorsqu'ils sont séchés et également d'évaluer la capacité de l'argile à expulser ou à retenir l'eau, la courbe de Bigot a été réalisée. Les courbes de Bigot sont des outils de caractérisation utiles couramment utilisés dans la fabrication de céramiques à base d'argile pour examiner la capacité des argiles et des pâtes à sécher69. De plus, les courbes de Bigot sont un outil utile ou un indicateur préliminaire pour sélectionner les matériaux appropriés pour les produits céramiques. La figure 6b illustre la courbe de Bigot de l'échantillon d'argile étudié (retrait de séchage en fonction de la perte de poids). Le résultat obtenu à partir de la courbe de Bigot, en séchant à température ambiante, implique que l'échantillon étudié contient environ 6,47 % d'humidité en eau. De plus, le retrait de séchage maximal de l'échantillon d'argile était de 6,81 %, indiquant un caractère de séchage modéré.

Sur la base de la composition minéralogique, de la distribution granulométrique, de l'analyse chimique et de la caractérisation des matériaux, l'évaluation de l'adéquation de la matière argileuse brute étudiée peut être effectuée via divers diagrammes de traçage. Fiori et al. (1989) ont construit un diagramme ternaire basé sur les paramètres minéralogiques (minéraux argileux, quartz + feldspaths, et le total des autres composants existants (Fe-oxydes, carbonates et accessoires)) du matériau argileux ciblé (Fig. 7a)75. Ces diagrammes sont considérés comme une classification pratique des corps en argile à base de céramique et constituent une référence utile pour la production de carreaux. Les données tracées des échantillons étudiés ont été trouvées dans des minéraux argileux riches. Selon les critères de Fiori, la présence d'une grande quantité de fraction argileuse dans l'échantillon le rend approprié pour le grès céramique blanc et le clinker (en raison de la forte teneur en kaolinite)75. La composition minéralogique et chimique des gisements d'argile étudiés s'est avérée proche de l'argile malaisienne standard (BBC), qui est couramment utilisée comme matière première dans la production de carreaux de céramique60. Cette proximité de propriété confirme que l'argile étudiée de la région d'Abu Zenima peut également être utilisée dans la fabrication de carreaux de céramique. De plus, un autre diagramme ternaire a été créé par Fabbri et Fiori (1985) en utilisant les données géochimiques (silice, alumine et quelques autres oxydes) des échantillons étudiés afin de classer les matériaux argileux et les corps céramiques industriels (avec les références céramiques de certains pays)76. La figure 7b représente le tracé des données obtenues sur le diagramme ternaire par rapport à l'argile de référence des pâtes céramiques industrielles de certains pays. Le diagramme a révélé que les échantillons étudiés ont été tracés dans le domaine du grès blanc qui fait référence aux pâtes céramiques industrielles allemandes, anglaises et françaises. Ces échantillons étaient inadaptés aux produits en grès rouge (Italie) ou en céramique structurelle (Cambodge). Les résultats du tracé de la Fig. 7b confirment les résultats obtenus précédemment à partir du diagramme ternaire de Fiori et al. (1989)75. L'inadéquation des gisements argileux étudiés dans la fabrication de la céramique rouge ou du grès rouge peut s'expliquer à partir des hypothèses de Fiori et al. (1989) et Murray (2006)75,77. Sur la base de ces hypothèses, les matériaux argileux contenant une quantité de Fe2O3 ≥ 5,0 % en poids sont classés comme argiles à cuisson rouge (tableau 3). Cependant, les argiles qui comprennent une quantité de Fe2O3 comprise entre 5,0 et 1,0 % en poids sont des argiles à bronzage B, et celles dont la quantité de Fe2O3 est inférieure à 1,0 % sont des argiles de cuisson blanches. En raison de la quantité moyenne de Fe2O3 (1,77–3,51 % en poids), les argiles étudiées ne sont pas recommandées pour la production de céramiques rouges.

Illustre : (a) Diagramme ternaire de Fiori et al. (1989)75 pour la classification des corps argileux à base de céramique sur la base des paramètres minéralogiques et (b) Diagramme triangulaire des matériaux riches en argile de Fabbri et Fiori (1985)76 sur la base des données géochimiques.

L'adéquation de la matière argileuse brute pour différents produits céramiques peut être déterminée sur la base des résultats de l'analyse granulométrique. La figure 8a illustre le tracé des données obtenues sur le diagramme de Winkler78. Le diagramme de Winkler, développé par Nyakairu et al. (2002)79, ont évalué l'adéquation du matériau riche en argile à base de produits céramiques dans trois groupes de fractions de grains (< 2,0 µm, 2,0–20,0 µm et > 20,0 µm). Le diagramme a révélé que tous les échantillons étudiés conviennent aux tuiles et aux briques de maçonnerie à l'exception des échantillons AZ01 et AZ05 (Fig. 8a). L'AZ05 s'est avéré plus adapté aux produits creux, ce qui pourrait être attribué aux fractions plus élevées de 2,0 à 20,0 µm par rapport aux autres échantillons. Cependant, l'échantillon AZ01 s'est avéré non favorable aux spécifications du produit dans le diagramme de Winkler (Fig. 8a), ce qui nécessiterait un processus d'enrichissement avant son utilisation.

Montre : (a) la classification granulométrique des matériaux riches en argile selon le schéma de Winkler (d'après Winkler (1954) et Nyakairu et al. (2002)78,79) ; Les champs sont définis comme : (I) briques communes, (II) briques perforées verticalement, (III) tuiles et briques de maçonnerie, et (IV) produits creux, et (b) pronostic de moulage à travers les limites d'Atterberg (tableau d'ouvrabilité) (d'après Bain et Highley (1979) et Hosni et al. (2021)72,80).

De plus, Bain et Highley (1979) ont construit le diagramme d'ouvrabilité de l'argile basé sur l'indice de plasticité et la limite plastique des argiles étudiées (Fig. 8b)80. Selon le tableau d'ouvrabilité de l'argile, la plupart des matériaux d'argile étudiés se trouvaient dans le champ d'extrusion acceptable, à l'exception de l'échantillon AZ08, qui a été trouvé dans la région de moulage optimale. Cette découverte suggère que les échantillons d'argile étudiés pourraient être utilisés dans la poterie et les briques. Selon Bain et Highley (1979)80, les échantillons d'argile situés à l'extérieur de la région d'extrusion acceptable et optimale, pas dans le présent travail, pourraient convenir et être utilisés pour le lancer à la main et/ou le travail de la boue molle.

Un facteur important influençant l'adéquation des matières premières dans le secteur industriel est la proximité et l'accessibilité des accumulations de matières premières attendues. Les affleurements de dépôts d'argile étudiés dans la région d'Abu Zenima, en particulier de la Formation de Matulla, sont facilement accessibles depuis la nouvelle route asphaltique principale Suez-Sharm El-Sheikh. Le site est situé à 130, 210 et 280 km des villes de Suez, Ain El-Sokhna et du Caire, respectivement. La proximité de la zone étudiée avec la plupart des zones industrielles augmente considérablement la pertinence de nos gisements d'argile explorés.

En raison du développement instantané et des projets de construction nationaux, l'industrie céramique égyptienne a considérablement évolué et la demande de matières premières de l'industrie céramique a rapidement augmenté. De nos jours, l'Égypte est l'un des principaux producteurs africains de carreaux de céramique et le 10e au niveau mondial avec une valeur de production d'environ 300 millions de m2/an (mordorintelligence.com). De plus, la fabrication de céramique, y compris les produits industriels, domestiques et de construction, est l'une des industries les plus prospères de l'économie égyptienne. De plus, l'expansion et les dépenses accrues dans les infrastructures, le logement et l'urbanisation devraient augmenter la consommation de céramique par habitant dans les années à venir à des niveaux plus élevés. Par conséquent, l'exploration de nouvelles réserves de gisements d'argile comme matières premières est donc nécessaire pour répondre à la demande accrue des industries consommatrices d'argile. Comme il existe d'importantes réserves de gisements d'argile dans la région d'Abu Zenima, au sud du Sinaï, en Égypte, ces gisements n'ont pas été clairement étudiés et caractérisés en fonction de leurs propriétés minéralogiques, chimiques et technologiques pour l'industrie céramique. En outre, les fabricants de céramique dans les zones étudiées devraient attirer des producteurs stables dans l'industrie de la céramique à long terme afin de tirer parti des matières premières, de la main-d'œuvre et de la construction d'usines à faible coût. Les gisements de kaolin sont le composant principal et le plus coûteux de la fabrication de la céramique. Ainsi, l'existence de réserves élevées de kaolin dans la zone étudiée avec une qualité et une quantité raisonnables permettrait de réduire considérablement le coût de fabrication et de dépasser le taux de consommation élevé. La composition chimique principale et la teneur en kaolinite du kaolin étudié ont été comparées à plusieurs gisements de kaolin égyptiens rapportés dans la littérature et tabulés dans le tableau 5. Les matières premières présentées dans cette étude ont démontré les matières premières les plus appropriées pour divers types d'industrie céramique en fonction de leur composition naturelle. L'aptitude de l'argile kaolinitique étudiée pour des applications industrielles a été prouvée par des caractéristiques géochimiques, granulométriques, céramiques et techniques. Par conséquent, les résultats de la présente enquête permettront d'améliorer les connaissances sur l'argile de kaolin de la région d'Abu Zenima ainsi que de contribuer à l'exploitation de ces gisements et à l'optimisation de la fabrication de la céramique.

Cette étude comprenait une étude détaillée des dépôts d'argile (argile riche en kaolinite) appartenant à la formation de Matulla dans la région d'Abu Zenima à l'aide de données de télédétection, d'analyses minéralogiques et géochimiques. Les techniques de traitement de télédétection sur les données Sentinel-2A MSI (BR et PCA) permettent une meilleure précision dans la classification des Formations à Kaolinite et l'identification lithologique à l'échelle régionale. Les données obtenues par télédétection ont indiqué que la zone étudiée est considérée comme prometteuse en raison de la présence de dépôts d'argile en grande quantité. Les dépôts d'argile du Crétacé supérieur (Santonien) (dix échantillons) dans la région d'Abu Zenima ont été évalués de manière approfondie à l'aide de plusieurs techniques de caractérisation. L'analyse minéralogique (DRX) a révélé que la kaolinite et le quartz étaient les constituants prédominants des échantillons d'argile étudiés, associés à des pourcentages mineurs d'illite, d'hématite et de feldspaths. Les mesures de surface ont révélé que l'échantillon représentatif a une surface BET, un volume total de pores et un diamètre moyen des pores de 8,63 m2 g-1, 0,05 cm3 g-1 et 23,40 nm, respectivement, et suit une isotherme de type IV (caractéristique mésoporeuse). L'analyse chimique des poudres d'argile brute a confirmé que Al2O3 et SiO2 étaient les oxydes les plus abondants dans tous les échantillons. Les valeurs élevées de CIA indiquent la maturité des gisements d'argile d'Abu Zenima et confirment que les argiles étudiées sont riches en kaolinite. D'un point de vue technologique, les échantillons étudiés sont largement adaptés à divers produits céramiques. La fraction d'argile avec des valeurs élevées est favorable à l'industrie céramique. De plus, les matériaux argileux ont démontré une plasticité modérée qui convient au grès cérame blanc et au clinker. La comparaison de la composition minéralogique et chimique des gisements d'argile étudiés avec l'argile malaisienne standard a montré une grande similitude et a confirmé son aptitude à être utilisée comme matière première dans la production de carreaux de céramique. Les résultats ont également révélé l'inadéquation de ces argiles dans la fabrication de céramique rouge ou de grès rouge en raison de la quantité moyenne de Fe2O3. Selon les spécifications de Winkler, les échantillons étudiés conviennent aux tuiles et aux briques de maçonnerie, à l'exception des échantillons AZ01 et AZ05, qui conviennent aux produits creux. L'échantillon AZ01 pourrait être traité avec un processus d'enrichissement pour le rendre plus pratique pour les produits mentionnés ci-dessus. De plus, la maniabilité des matériaux argileux étudiés s'est avérée être dans le domaine d'extrusion acceptable, et l'échantillon AZ08 a été trouvé dans la région de moulage optimale. Dans l'ensemble, les résultats positifs obtenus et les découvertes technologiques prometteuses confirment le potentiel des gisements d'argile du Crétacé supérieur (Santonien) en tant que matières premières possibles pour les produits en grès céramique blanc, tuiles et briques, en plus de leur proximité et de leur accessibilité facile pour le secteur industriel attendu.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette étude a été soutenue financièrement par l'Académie de la recherche scientifique et de la technologie (ASRT), Égypte (projet n° 9473). Tous les auteurs expriment sincèrement leur appréciation et leurs remerciements aux relecteurs dont les commentaires critiques ont considérablement amélioré la qualité de cette publication. Le Dr Radwan est reconnaissant pour le domaine de recherche prioritaire Anthropocène dans le cadre du programme "Initiative d'excellence - Université de recherche" de l'Université Jagellonne de Cracovie.

Financement en libre accès fourni par The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en coopération avec The Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Département de géologie, Faculté des sciences, Université de Suez, PO Box 43518, Ville d'El Salam, Gouvernorat de Suez, Égypte

Ali Maged, Sherif Ahmed Abu El-Magd & Sherif Kharbish

Faculté de géographie et de géologie, Institut des sciences géologiques, Université Jagellonne, Gronostajowa 3a, 30-387, Cracovie, Pologne

Ahmed E. Radwan

Département de géologie, Faculté des sciences, Université de Zagazig, Ville de Zagazig, 44519, Gouvernorat de Sharkia, Égypte

Sara Zamzam

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AM : Conceptualisation, Méthodologie, Validation, Analyse formelle, Curation des données, Enquête, Rédaction—Ébauche originale. SAA : Enquête, Rédaction—révision et édition. AR : Enquête, Rédaction—révision et édition. SK : Supervision, Conceptualisation, Enquête, Rédaction—révision et édition. SZ : Conceptualisation, Méthodologie, Conservation des données, Enquête, Logiciel, Rédaction—révision et édition.

Correspondance à Ali Maged.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Maged, A., Abu El-Magd, SA, Radwan, AE et al. Aperçu de l'évaluation des gisements d'argile d'Abu Zenima en tant que source potentielle de matières premières pour l'industrie de la céramique : télédétection et caractérisation. Sci Rep 13, 58 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26484-5

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Reçu : 02 septembre 2022

Accepté : 15 décembre 2022

Publié: 02 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-26484-5

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