2.1.2 Caractéristiques importantes des chaux
:
En ce qui concerne le traitement des sols à la chaux,
trois caractéristiques de ce liant sont importantes:
? La teneur en CaO : Le CaO peut
être:
- disponible: c'est-à-dire non combiné, sous
forme de CaO pour la chaux vive et sous forme Ca(OH) 2 pour la chaux
éteinte;
- combiné: sous forme de carbonate (son importance est
appréciée par la teneur en CO2 de la chaux), de silicates et
d'aluminates (la somme du CaO libre et du CaO combiné représente
le CaO total). Sous forme combinée, le CaO n'est pas réactif et
ne présente donc pas d'avantages pour le traitement.
CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES
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CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES
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? La finesse de mouture : (elle
conditionne l'homogénéité du mélange sol-chaux,
garantissant l'hydratation complète de la chaux). Elle intervient
également dans les conditions de stockage et de transport.
? La réactivité d'une chaux
vive est évaluée par sa vitesse d'hydratation et le
dégagement
de chaleur provoqué par cette réaction chimique.
Plusieurs facteurs influencent la réactivité d'une chaux vive,
les principaux étant le mode de cuisson de la pierre calcaire
originelle, sa pureté et le broyage de la chaux.
L'essai est détaillé dans la norme NBN EN 459-2.
La méthode de mesure normalisée
consiste à suivre le dégagement de chaleur issu
de l'addition de 150 grammes de chaux vive à 600 grammes d'eau
préalablement portée à une température de 20
°C, et ce dans un récipient isotherme. Le temps mis par le
mélange pour atteindre une température de 60 °C est
appelé le t60 et est exprimé en minutes. Plus la chaux est
réactive, plus ce délai est court. Il est à noter que
cette valeur n'exempte pas de réaliser la détermination des
caractéristiques granulométriques et de la teneur en CaO
disponibles.
2.1.3. Choix du type de chaux :
Pour le traitement des sols, toutes les chaux
pulvérulentes, qu'elles soient vives ou éteintes conviennent.
Toutefois, s'il est nécessaire d'assécher le sol pour se
rapprocher des conditions optimales de réemploi, le choix de
l'utilisateur s'orientera vers la chaux vive qui permet de diminuer la teneur
en eau du sol.
Si l'on travaille dans des zones «sensibles»,
l'utilisateur s'orientera vers la chaux à émission de
poussière réduite ou le lait de chaux) et/ou adaptera les
méthodes de travail.
2.1.4. Réactions chaux - sol argileux :
Le mécanisme du traitement des sols avec la chaux est
basé sur plusieurs réactions.
a. Echange cationique :
Dans le sol argileux, les argiles ainsi que les
matières organiques ont la propriété de pouvoir
échanger une partie de leurs cations constitutifs «
échangeables » ou « Adsorbés à la surface »
et de fixer l'ion calcium. Pour les argiles, cette réaction
dépend de :
- l'aptitude des argiles à échanger ces cations
inter-lamellaires (nature de l'argile) distingué par la capacité
d'échange cationique CEC. Cette capacité est variable selon le
type d'argile : pour la Kaolinite la CEC est entre 0,05 et 0,1 meq/g, pour
l'illite la CEC est entre 0,2 et 0,5 meq/g et pour la montmorillonite la CEC
est de l'ordre de 1 meq/g. Les faibles valeurs de CEC signifient que l'argile
ne fixe les cations que sur les zones latérales des feuillets alors que
dans les montmorillonites les cations sont captés sur leurs faces
externes et internes (Cabane ; 2004).
- la nature du cation compensateur. En effet, la
capacité des argiles à libérer (ou changer) leurs cations
dépend de la valence et de la masse atomique du cation présent
dans la solution, selon l'ordre croissant suivant :
Li+ < Na+ < H+ <
K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al+3
La capacité d'échange cationique correspond aux
échanges :
- des cations inter-foliaires. Ces échanges concernent
plus particulièrement les argiles TOT (smectite, vermiculite, ...). La
substitution des cations inter-foliaires est d'autant plus facile que les
cations ont une charge plus faible et sont de petite taille (Diamond et Kinter
: 1965, Eades et Grim : 1966), Cabrera et Nwakanma : 1979, Locat et al : 1996,
Khattab : 2002, Cabane : 2004). - des cations de bordure. Sur les bordures d'un
cristal, les charges ne sont plus équilibrées.
Il apparaît alors des liaisons Si-OH et Al-OH. Ces
liaisons sont déstabilisées en milieu Basique et constituent
alors une source supplémentaire de sites de fixation pour les cations de
calcium (Cabane : 2004).
Lorsque la chaux est ajoutée aux sols argileux, en
présence de l'eau, l'échange cationique commence à avoir
lieu immédiatement après le mélange. En effet, la
dissolution de la chaux dans un sol argileux hydraté libère des
cations du calcium Ca2+ et des hydroxyles (OH)-. Les
cations de calcium sont instantanément absorbés et
intercalés dans l'espace interfoliaire de l'argile (structure TOT) et
remplacent les différents cations inter-foliaires existants. Cette
échange induit des forces attractives entre les feuillets d'argile et
réduit la double couche d'eau diffuse (Arabi et Wild : 1989). Cela
mène à un changement de la structure des feuillets argileux et
entraîne des modifications immédiates des propriétés
des sols traités. Cette réaction instantanée se poursuit
avec l'addition de la chaux jusqu'à la saturation complète des
argiles en calcium. La quantité de calcium (et donc de chaux)
nécessaire pour aboutir la saturation parfaite est fonction de la nature
Des argiles et du cation existant dans l'espace interfoliaire. Les auteurs
parlent de la notion « lime fixation point, Lime Consommation Optimale et
Initial Lime Consommation » pour désigner la
nécessité d'adapter la proportion de chaux en fonction de la
teneur en argile (Hill et Davidsan : 1960, Clara et Handy : 1963, Eades et Grim
: 1966, Locat et al : 1990, McKalister et Petry : 1992, Bel : 1996). Plusieurs
méthodes ont été développées pour
déterminer cette quantité réduite de chaux, basées
sur les modifications apportées à court terme aux
propriétés des sols traités tels que la plasticité,
le pH, le gonflement et la viscosité. Bell (1996) a indiqué que
la quantité optimale qui correspond à une modification «
optimale » des propriétés des sols à court terme se
situe entre 1 à 3% de chaux vive. McCalister et Petry (1992) ont
montré que la quantité de chaux qui correspond à
l'échange cationique est de 3% pour un sol argileux provenant des
États-Unis contenant de la montmorillonite et de la kaolinite.
b. CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES
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CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES
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CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES
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Floculation - Agglomération :
En conséquence de l'échange cationique,
l'intercalation des cations de calcium entre les feuilles argileux modifie la
densité de la charge électrique superficielle dans les particules
d'argiles et donc la structure de la double couche d'eau dont l'extension
diminue (Diamond et Kinter : 1965, Bel : 1996, Khattab : 2002, Cabane : 2004).
La charge négative portée en surface des particules d'argiles et
l'intensité des forces de répulsion sont réduites ; ceci
conduit les particules d'argiles à se rapprocher les unes aux autres
pour former des flocs {Locat et al : 1990, Locat et al : 1996). On observe
alors une diminution du volume apparent des particules et une contraction du
sol. Les flocs formés sont insensibles au lavage (McCalister et Petry :
1992), mais deviennent plus stables avec le temps. Cette floculation -
agglomération change la texture de l'argile et améliore la
consistance des sols argileux traités.
c. Réaction pouzzolanique :
Une fois que l'affinité de sol est satisfaite par les
cations Ca2+, une autre réaction, appelée
réaction pouzzolanique, se déclenche entre la chaux et les
couches tétraédrique et octaédrique des feuillets argileux
et le calcium, en particulier sur les bords des particules d'argile. A noter
que les cations de calcium fixés dans l'espace interfoliaire de la
fraction argileuse ne participent pas à la réaction pouzzolanique
(Hill et Davidsan : 1960, Clara et Handy : 1963, Bel : 1996).
En effet, la dissolution de la chaux dans l'eau du sol
(libération des cations Ca2+ et anions OH-) permet
la saturation de la solution en calcium avec une élévation de pH.
En milieu basique et saturé en cation de calcium, les argiles sont
attaquées. En conséquence, elles libèrent l'alumine et la
silice qui réagissent avec le calcium en présence d'eau et les
hydroxyles provenant de la chaux pour former des hydrates calciques similaires
à ceux des ciments ; hydrate de silicate Calcique (CSH), hydrate
d'aluminate calcique (CAH) et hydrate alumino-silicate calcique (CASH) Eades et
Grim (1960), Clara et Handy (1963), Diamond et Kinter (1965), Ormsby et Kinter
(1973), Cabrera et Nwakenma (1979), Arabi et Wild (1986), Wild et al. (1986),
Basma et Tancer (1990), Locat et al. (1990), Bell (1996), Locat et al. (1996),
Rajasekaran et Rao (1997), Khattab (2002)}. Ces hydrates tapissent la surface
des particules du sol et en cristallisant, agissent comme des liens entre les
particules du sol. Cette réaction consomme donc les argiles et aboutit
à la formation de nouveaux minéraux aux propriétés
liantes. Les différentes argiles (kaolinite, illite et smectite) ne
réagissent ni avec la même cinétique ni de la même
« manière » avec la chaux (Eades et Grim : 1960, le Roux :
1969).
Cette réaction est conditionnée par la
saturation initiale de la solution (eau de mélange) en chaux (Clara et
Handy : 1963, Eades et Grim : 1966, Bel : 1996, Locat et al : 1996). Un test
basé sur la mesure du pH permet d'évaluer la teneur en chaux
nécessaire pour que ces réactions puissent avoir lieu. Le seuil
de pH correspondant à la saturation de solution en chaux est environ
12,4 (Eades et Grim : 1966). La solubilité de
l'aluminate octaédrique et du silicate tétraédrique des
minéraux argileux est très élevée à cette
valeur. La quantité de chaux permettant d'obtenir cette valeur de pH est
connue sous le nom de «lime fixation point«. De plus, la
quantité de chaux ajoutée au traitement doit être
adaptée à la teneur des argiles dans le sol (Cabane : 2004).
Cette réaction pouzzolanique a une cinétique
lente qui nécessite, à température Ordinaire, plusieurs
mois avant que ses effets puissent être appréciés (Arabi et
Wild : 1989, GTS : 2000, Rao et Shivananda : 2005-b). Cependant, la
cinétique dépend de plusieurs facteurs dont la température
de maturation et la teneur en eau des sols traités. En dessous de
5°C, la cinétique est ralentie alors qu'elle
s'accélère avec l'augmentation de la température (Arabi et
Wild : 1986, Bel : 1996, GTS : 2000, Beordman et al : 2001, Rao et Shiva anda :
2005-b, Cabane : 2004). Une humidité relativement importante favorise la
réaction pouzzolanique par la mobilité des ions et la formation
des minéraux uniforme dans une surface plus ou moins étendue
autours des gains de chaux (Locat et al : 1990, Bel : 1996).
La quantité de chaux permettant d'obtenir une
amélioration optimale des propriétés
hydromécaniques et une durabilité des propriétés
recherchées avec le temps est appelée « lime stabilisation
optimale« (Ormsby et Kinter : 1973, Locat et al : 1990, 1997, Bel :
1996).
d. Carbonatation :
La carbonatation (formation de la calcite) de la chaux est une
conséquence de la réaction produite entre la chaux et le CO2 de
l'air. Cette réaction pourrait avoir lieu pendant la maturation Des sols
traités. Cependant, elle n'est pas recherchée lors du traitement
des sols. Dans le cas du développement de cette réaction, les
cristaux de calcite ainsi formés ont une propriété liante
très Médiocre et perturbent la stabilisation des sols car leur
développement inhibe la réaction pouzzolanique (Diamond et Kinter
: 1965, Khattab : 2002, Cabane : 2004). Ainsi, cette réaction provoque
une réduction de la résistance finale à cause de la
consommation d'une partie de la chaux disponible pour la réaction
pouzzolanique. Bien que la calcite formée peut renforcer
légèrement le sol pendant la première période,
cette réaction ne peut pas être considérée comme une
amélioration à long terme (Goldberg et Klein : 1952).
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