La phase solide est constituée de grains qui se différencient par leur nature minéralogique et par leur granularité. En principe, tous les minéraux peuvent être rencontrés dans les sols ; les minéraux les plus courants sont les argiles, le quartz, la calcite. La variabilité de taille s’étend depuis les particules colloïdales (inférieures à 0,2 µm) jusqu’aux blocs (qui peuvent avoir quelques dizaines de cm).
Le procédé qui permet de séparer le sol en ses différentes fractions est appelé analyse granulométrique ; on a l'habitude de donner un nom à chacune des fractions granulométriques :
| "argile colloïdale" |
grains inférieurs à 0,2µm |
| "argile" |
grains compris entre 0,2µm et 2µm |
| silt |
de 2µm à 20µm |
| sable fin |
de 20µm à 200µm |
| sable grossier |
de 0,2mm à 2mm |
| gravier |
de 2 mm à 20mm |
| caillou |
de 20mm à 200mm |
| enrochement |
supérieur à 200mm |
N.B. Le terme argile employé ici n'a pas de sens minéralogique.
La taille des grains conditionne la surface spécifique d'un sol qui est la somme de toutes les surfaces extérieures des particules contenues dans une unité de masse du sol. Il existe aussi une surface spécifique interne dans le cas où le sol contient des minéraux argileux.
La surface spécifique est extrêmement importante car c'est sur cette interface solide-liquide que se produisent la plupart des phénomènes physico-chimiques.
Pour illustrer schématiquement ce point, considérons 1cm3 de sol constitué de cubes élémentaires de différentes tailles et calculons la surface totale et la surface spécifique en supposant une masse de 2,7g pour 1cm3, on peut dresser le tableau 2.2.
Arête des cubes |
Nombre de cubes |
Surface totale |
Surface spécifique
cm2/g |
| 1 cm |
1 |
6cm2 |
2,22cm2 / g |
| 1 mm |
103 |
60cm2 |
22,2cm2/g |
| 0,1 mm |
106 |
600cm2 |
222cm2 / g |
| 0,01mm |
109 |
6000cm2 |
2222cm2/g |
| 1µm |
1012 |
6m2 |
2,22m2/g |
| 0,1µm |
1015 |
60m2 |
22,2m2/g |
Tableau 2-2 : Surface spécifique de grains cubiques
À titre d'ordre de grandeur, en sachant en particulier que pour les minéraux argileux qui constituent généralement les phases les plus fines, la forme des grains n'est pas cubique mais plutôt lamellaire, ce qui contribue encore à accroître les surfaces ; on peut donner le tableau 2.3 suivant pour des grains cubiques.
| |
Taille |
Surface totale |
Surface spécifique |
| sable |
1 mm |
60 cm2 |
2,22 cm2/g |
| silt |
10 µm |
6 000 cm2 |
2222 cm2/g |
| argile |
1 µm |
6 m2 |
2,22 m2/g |
| colloïde |
0,1µm |
60 m2 |
22,2 m2/g |
Tableau 2-3 : Surface spécifique pour différents sols (forme des grains cubiques)
Pour une kaolinite naturelle, on obtient souvent des surfaces spécifiques de l'ordre de 20m2/g ; pour une montmorillonite, cette surface peut dépasser 100m2/ g (voir tableau 2.4).
On associe souvent dans le cas des minéraux argileux une grandeur nommée capacité d’échange cationique (C.E.C) : il s’agit de connaître la possibilité pour des cations situés à la surface des particules du sol de changer de place avec d’autres cations ; ceci donne une idée sur les évolutions possibles.
| |
Rapport largeur épaisseur |
Surface spécifique (m2/g) |
C.E.C |
| sable propre |
1 |
2.10-4 |
|
| kaolinite |
10 - 20 |
10 - 70 |
3 - 15 |
| illite |
20 - 50 |
80 -100 |
10 - 15 |
montmorillonite
(smectite) |
200 - 400 |
500 |
80 - 140 |
Tableau 2-4 : Caractéristiques des minéraux argileux courants
Noter que pour 10 g de smectite, la surface spécifique est celle d’un terrain de rugby.
