Stabilisation des sols gonflants

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Université Mohamed Chérif Mesaadia kuoS-Ahras Mohamed Chérif Mesaadia university kuoS-Ahras		ÉíÏÚÇÓã íÑÔáÇ ÏãÍã ÉÚãÇÌ ÓÇÑå ÞæÓ
Faculté des sciences et technologies Département de GENIE CIVIL MEMOIRE Présenté en vue de l'obtention du Diplôme de Master			Année : 2015
STABILISATION DES SOLS GONFLANTS PAR AJOUT DES LIANTS HYDRAULIQUES

Filière : GENIE CIVIL

Spécialité : GEOTECHNIQUE

Par

NEDJAHI A. RAOUF Et DJOUDI ABDELKRIM

DIRECTEUR DE MEMOIRE : Dr DJOUIMAA S.

Devant le jury

PRESIDENT: Pr SID MADANI

EXAMINATEUR: HAMROUNI A. MAA U.SOUK-AHRAS

EXAMINATEUR: BOUCHMELA S. MAA U.SOUK-AHRAS

N° /2015

SOMMAIRE

REMERCIEMENT DEDICACE

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE 1 : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE

1. LES ARGILES 4

1.1. INTRODUCTION 4

1.2. ORIGINE DES ARGILES . 4

1.2.1. Formation des minéraux argileux 4

1.2.1.1. Héritage et altération 5

1.2.1.2. Transformation des minéraux argileux par dégradation et aggradation 5

1.2.1.3. Néoformation en milieux confinés 5

1.2.2. Contexte de formation des sols argileux 6

1.3. LES MINERAUX ARGILEUX 6

1.3.1. Le groupe de la kaolinite......................................................................8

1.3.2. Le groupe des smectites...................................................... 10

1.3.3. Le groupe des micas (l'illite) 12

1.3.4. Le groupe des chlorites 14

1.4. LA TEXTURE DES ARGILES 15

1.5. DIFFERENTS TYPES D'EAU 16

1.5.1. Eau liée 16

1.5.2. Eau libre 17

1.5.3. Eau cristalline .18

1.5.4. Principaux type d'hydratation (principales causes du gonflement) .18

2. LE PHENOMENE DE GONFLEMENT 18

2.1. INTRODUCTION 18

2.2. MECANISMES DU GONFLEMENT DES ARGILES ....19

2.2.1. Le Gonflement au sens physico-chimique 19

2.2.1.1. Hydratation des espaces inter foliaires 20

2.2.1.2. Répulsion entre les particules 20

2.2.2. Le Gonflement au sens mécanique 21

2.3. CINETIQUE DE GONFLEMENT .23

2.4. PARAMETRES MOTEURS DU GONFLEMENT .25

2.4.1. La composition minéralogique 25

2.4.2. L'état initial du sol 25

2.4.3. Modification des contraintes mécaniques 28

2.4.4. Modification des contraintes hydriques 28

2.4.5. Cycles de séchage/humidification 29

2.5. CLASSIFICATION ET PREDICTION 31

2.5.1. Les paramètre du gonflement 31

2.5.2. Méthodes d'estimation du gonflement ...32

2.5.2.1. Identification qualitative des sols gonflants 32

2.5.2.2. Estimation du gonflement - Méthodes empiriques (indirectes) .36

2.5.2.3. Estimation du gonflement - Méthodes directes 38

3. CONCLUSION 41

CHAPITRE 02 : STABILISATION DES ARGILES

1. INTRODUCTION 42

2. PROCEDES DE TRAITEMENT DES SOLS GONFLANTS 42

2.1. Stabilisation par l'ajout de la chaux 42

2.1.1. Les différents types de chaux 42

2.1.2. Caractéristiques importantes des chaux 43

2.1.3. Choix du type de chaux 44

2.1.4. Réactions chaux - sol argileux 44

a) Echange cationique 44

b) Floculation - Agglomération 46

c) Réaction pouzzolanique 46

d) Carbonatation 47

2.1.5. La performance des traitements à la chaux 47

2.1.6. Méthode d'utilisation de la chaux dans le traitement du sol 49

a) La teneur en eau naturelle 64

2.1.6.1 Malaxage sur place 49

2.1.6.2 Technique d'injection 51

2.2. Stabilisation par l'ajout du ciment 52

2.2.1. Constituants 52

2.2.2. Production du ciment 52

2.2.3. Différents types de ciments, composition, désignation normalisés 52

2.2.4. Choix du ciment pour le traitement de sol 53

2.2.5. Réactions ciment - sol argileux 53

2.2.6. La performance des traitements du ciment 53

2.2.7. Méthode d'application 54

2.3. Stabilisation par l'ajout des cendres volantes . 55

2.3.1. Les propriétés physiques 56

2.3.2. Les propriétés chimiques 56

2.3.3. Stabilisation des argiles l'aide des cendres volantes 57

2.4. Autre techniques de stabilisation 57

· Drainage 57

· Substitution 58

· Application de fortes pressions 58

· Compactage 58

· Prehumidication 58

· Traitement thermique 58

· Utilisation de fondations et d'édifices .58

3. CONCLUSION 59

APERÇU DU SITE 60

CHAPITRE 03 : IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

1. INTRODUCTION 64

2. PROGRAMME DES ESSAIS 64

3. ETUDE GEOTECHNIQUE 64

3.1 La teneur en eau naturelle (Wn) et les poids volumique apparents sec (ãh et ãd) ..... 64

b) Le poids volumique apparents 65

3.2. Limites d'Atterberg .66

? La limite de liquidité wl 67

? La limite de plasticité wp ..67

? Indice de plasticité Ip . 67

? Indice de consistance IC ... 67

3.3. La Granulométrie ..70

3.4. Analyse chimique 71

3.5. Essai Proctor .71

3.6. Essai de cisaillement .72

3.7. Essai de gonflement libre 75

CHAPITRE 04 : INTERPRETATION DES RESULTATS

1. INTRODUCTION . 80

2. TRAITEMENT PAR L'AJOUT DE LA CHAUX 80

2.1. Limite d'ATTERBERG 81

2.2. Cisaillement 83

2.3. Gonflement .89

3. TRAITEMENT PAR L'AJOUT DU CIMENT 95

3.1. Limite d'ATTERBEG 95

3.2. Cisaillement 98

3.3. Gonflement 104

4. CONCLUSION 110

CONCLUSION GENARALE 112

LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX LISTE DES SYMBOLES RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

4

1. LES ARGILES

:

1.1. INTRODUCTION :

On entend par le terme « argile » un ensemble d'espèces minérales, une famille de roches, une catégorie de sols ou encore une classe granulométrique. Sous cette appellation générique se cache donc une grande variété de matériaux, dont le point commun est de posséder des minéraux argileux, de nature bien précise (à base de silicates) et dont la structure confère à ces matériaux comparativement à d'autres types de sols ou de roches des propriétés bien spécifiques quant à leur interaction avec l'eau.

Les minéraux argileux sont des silicates hydratés (il s'agit généralement de silicates d'aluminium, mais parfois de silicates de magnésium), dont la structure feuilletée les classe dans la famille des phyllosilicates. Pour cette famille de minéral argileux considérée, les particules les plus fines peuvent être constituées d'un feuillet ou d'un assemblage de quelques feuillets, et leur taille est très faible, de l'ordre de 2 à 5 ìm ; ces dimensions ne caractérisent que les particules argileuses.

Pour revenir à l'étymologie du mot « argile », elle provient de l'ancienne appellation grecque « ARGILLOS » il faut noter toutefois que son sens diffère d'un domaine à l'autre, en mécanique des roches ou en physique du sol, il n'est pas ce qu'il est en poterie par exemple.

Aussi le terme désigne à la fois les minéraux argileux eux-mêmes, et les sols et roches contenant une assez grande quantité de particules argileuses. En mécanique des sols, on définit la fraction argileuse d'un sol comme étant la teneur en particules de moins de 2 à 5 ìm de diamètre.

Le matériau est lui-même qualifié d'argile s'il contient plus de 50% de minéraux argileux (et une faible quantité de matières organiques).

On trouve plusieurs types d'argiles, entre autre :

? Les argiles tendres : de consistance lâche

? Les argiles raides : aux caractéristiques mécaniques sont très élevées.

1.2. ORIGINE DES ARGILES :

1.2.1. Formation des minéraux argileux :

Les sols argileux se forment par un processus lent d'altération sous l'action du climat, suivi de phénomènes d'érosion, de transport et de sédimentation. 90 % des minéraux argileux sont d'origine détritique. L'altération peut être physique (désagrégation des minéraux primaires) ou chimique (par transformation des minéraux). Certains minéraux argileux précipitent à partir d'une solution (minéraux néoformés).

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

6

1.2.1.1. Héritage et altération :

L'altération physique des roches est l'une des origines des minéraux argileux. Ceux qui en résultent sont différents de par la nature des roches mères et du climat.

En climat froid, l'altération est faible, les minéraux argileux sont identiques ou peu différents des minéraux de la roche mère (illite et chlorite), en climat chaud et humide, l'hydrolyse est poussée et donne de la kaolinite en milieu drainé et des smectites en milieu confiné. En climat tempéré et humide, l'altération est modérée, il apparaît des interstratifiés, des illites, des chlorites dégradées et des vermiculites.

1.2.1.2. Transformation des minéraux argileux par dégradation et aggradation :

La transformation des minéraux argileux consiste en une modification du minéral argileux tout en conservant son type de structure (Millot, 1964).

On trouve la transformation par dégradation (soustraction d'ions) et par aggradation (fixation d'ions supplémentaires). Ces transformations ont lieu aussi bien au cours de l'altération que pendant la sédimentation et la diagenèse.

Ci-dessous un exemple de processus de dégradation (gauche à droite) et d'aggradation (droite à gauche) (Millot, 1964).

Illite Interstratifié I/V vermiculite Interstratifié I/V montmorillonite

Dégradation

Aggradation

1.2.1.3. Néoformation en milieux confinés :

Dans ce cas les minéraux argileux sont formés par précipitation d'ions en solution (silicium, aluminium et potassium) susceptibles de réagir entre eux quand ils sont mis en contact par diffusion ou mélange. Ainsi, on connaît les types suivants de néoformations :

- Les argiles fibreuses se forment dans des zones à saison sèche marquée, dans des croûtes calcaires, dans des milieux évaporitiques sur salés (exemple : néoformation de sépiolite par concentration d'ions par évaporation).

- Certains minéraux argileux se forment en surface à partir des ions en solution :

? néoformation de glauconie (illite ferrifère) dans les vases littorales

? néoformation des "argiles rouges des grands fonds" (smectites ferrifères provenant Des vases calcaires et siliceuses et des cendres volcaniques).

1.2.2. Contexte de formation des sols argileux :

La sédimentation océanique argileuse est directement liée au type d'altération régnant sur les continents voisins et dépend donc de la latitude et de la nature de la roche mère, mais aussi de l'éloignement des sources ainsi que des conditions physico-chimiques régnant dans la zone de sédimentation.

CLIMAT	ORIGINE DES ARGILES	MINERAUX FREQUENTS
Glaciaire	Héritage	Illite, chlorite, ...
Boréal tempéré	Héritage, transformation	Vermiculite, interstratifiés, illite, chlorite, smectites, ...
Méditerranéen Subtropical	Héritage, transformation, néoformation	Smectites, ...
Désertique	Héritage	Illite, chlorite, ...
Equatorial	Néoformation	Gibbsite, kaolinite, ...

Tableau 1.1: Occurrence des minéraux argileux dans les sols en fonction du climat.

La nature minéralogique des argiles dépend aussi de la roche mère :

? La kaolinite provient de l'altération des roches magmatiques grenues et acides

(feldspaths principalement).

? L'illite de l'altération des roches magmatiques et métamorphiques.

? Les smectites de l'altération des roches volcaniques.

? Les attapulgites et sépiolites (argiles fibreuses) sont associés à des dépôts lagunaires.

Ces différentes familles d'argile, associées à d'autres minéraux d'origine détritique (quartz essentiellement) et/ou chimique (calcite, dolomite essentiellement) et à des minéraux accessoires sont les constituants principaux des sols argileux. Leurs caractéristiques mécaniques et géotechniques sont directement liées à la nature des minéraux argileux et aux transformations diagénétiques subies par la suite.

Les marnes sont des matériaux d'origine chimique, biochimique ou détritiques dont la quantité en carbonates est comprise entre 35 et 65 %, le terme d'argile calcaire est utilisé pour un pourcentage en carbonates compris entre 5 et 35 %.

1.3. LES MINERAUX ARGILEUX :

Les argiles sont des entités minéralogiques caractérisées par un comportement particulier avec l'eau, qui se traduit souvent par des phénomènes de gonflement, de dispersion

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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et d'hydratation. Ce sont des silicates d'alumines hydratés, qui ont des structures phylliteuses particulières et se distinguent par leur nature chimique.

La structure phylliteuse de l'argile est le résultat de la superposition de couches tétraédriques de silice et de couches structurales octaédriques d'hydroxydes d'aluminium ou de magnésium. Dans une couche tétraédrique (SiO2), l'ion silicium Si4+ est placé au centre d'un tétraèdre entouré de quatre atomes d'oxygène. Dans une couche octaédrique d'hydroxyde d'aluminium Al2(OH) 6 ou de magnésium Mg3(OH) 6, le cation (Al³⁺ où Mg²⁺) est entouré d'un octaèdre d'ions hydroxydes OH^- (figure 1.1 et 1.2).

Dans le cas où le cation de la couche octaédrique est l'aluminium, deux tiers des sites octaédriques sont occupés par des ions Al³⁺ et la couche octaédrique est dite gibbsite alors que, dans le cas où l'on est en présence de cations Si⁴⁺, tous les sites octaédriques sont occupés et la couche octaédrique est dite brucite.

Figure 1.1 : Structure d'une couche tétraédrique.

Figure 1.2 : Structure d'une couche octaédrique.

Figure (1.1) et (1.2) Les deux structures élémentaires des feuillets d'argile.

La jonction entre une couche tétraédrique et une couche octaédrique se fait par

DDVVV

substitution de certains groupements OH^- par des ions d'oxygène O^2-, ce qui donne à la particule

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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d'argile une charge négative. Il s'ensuit des propriétés adsorbants de l'argile, favorisant la fixation de cations et de molécules polaires afin d'assurer la neutralité électrique du minéral.

Certaines argiles, pour lesquelles les liaisons interfeuillets sont très faibles, ont la propriété de fixer des molécules d'eau entre deux feuillets voisins. Ces argiles sont dites gonflantes. Le potentiel de gonflement d'une argile dépend de la texture et de la structure de minéraux qui la constituent.

1.3.1. Le groupe de la kaolinite :

Argiles dioctaédriques de type 1 / 1 (ou TO) typique :

Le représentant le plus important de ce groupe de minéraux est de loin la kaolinite. Elle est aussi l'exemple typique d'une argile non gonflante. Les minéraux de cette famille sont composés par l'alternance de couches tétraédriques et de couches octaédriques (figure 1.3a). Les deux tiers des atomes du plan commun entre la structure octaédrique et la structure tétraédrique sont des atomes d'oxygène, qui assurent la jonction entre les deux couches. Le tiers restant est composé d'ions hydroxyles.

Suivant la nature du cation de la structure octaédrique, on distingue deux sous-groupes dans cette famille de minéraux argileux :

? le groupe de la serpentine, où la couche octaédrique est de type « brucite »

? le groupe de la kaolinite, où la couche octaédrique est de type « gibbsite ».

Les liaisons entre les différentes couches sont relativement rigides et sont principalement assurées par les forces de Van der Waals et les liaisons hydrogènes.

Outre les deux groupes précédents, cette famille de minéraux contient le groupe des halloysites, qui existent sous deux formes : une forme déshydratée ressemblant à la structure de la kaolinite et une forme hydratée, où une couche de molécules d'eau s'intercale entre deux feuillets de type kaolinitique.

L'épaisseur d'une couche de kaolinite est de 7,2 A°, tandis qu'une couche d'halloysite hydratée a une épaisseur de 10,1 A°. Des feuillets d'halloysite d'épaisseurs intermédiaires peuvent exister, correspondant à des structures partiellement hydratées.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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Figure (1.3a) : Structure d'un feuillet de kaolinite.

Figure (1.3b) : Cristaux des particules de kaolinite vus au microscope électronique.

Des substitutions de cations de silicium de la couche tétraédrique ou de cations d'aluminium de la couche octaédrique peuvent se produire sans changer l'arrangement des minéraux de cette famille. Cependant, de telles substitutions sont susceptibles de générer un déficit de charge et donc de charger négativement la couche de kaolinite. Ce déficit de charges est comblé par l'attraction d'autres cations et l'on parle alors de capacité d'échange en cations (CEC) du minéral, souvent donnée en milliéquivalents par cent grammes du minéral (sec). On donne dans le tableau 1.2 quelques valeurs de CEC pour différents minéraux argileux:

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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Minéraux	CEC
Kaolinite	3-15meq/100g
Halloysite	5-40meq/100g
Montmorillonite	80-150meq/100g

Tableau 1.2 : Capacité d'échange de cations (CEC) de quelques minéraux.

1.3.2. Le groupe des smectites :

Argiles de type 2 / 1 ou TOT :

Les minéraux de cette famille sont composés d'une couche octaédrique en sandwich entre deux couches tétraédriques (figure 1.4a). Les liaisons entre la couche tétraédrique et les couches octaédriques sont assurées par les atomes d'oxygène appartenant aux deux couches et constituant la majorité des anions de la surface des deux couches octaédriques.

À la différence de la kaolinite, les smectites sont chargées négativement. Ce déficit de charge est compensé par l'adsorption de cations en solution dans l'eau, qui viennent se placer entre les feuillets de smectite, accompagnés de molécules d'eau d'hydratation. L'épaisseur d'une couche de smectite est de 9,6 A°. Le représentant le plus important de cette famille de minéraux est la montmorillonite.

Figure (1.4a) : Structure d'un feuillet de smectite

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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Figure (1.4b) : Cristaux des particules de smectite vus au microscope électronique.

Ce qui différencie la famille des smectites des autres minéraux argileux est la substitution abondante des cations Al³⁺ et Si⁴⁺ par d'autres cations. Ainsi, l'aluminium des couches octaédriques peut être remplacé par le magnésium, le fer, le nickel, le lithium ou par d'autres cations. Les cations Al³⁺ peuvent remplacer les cations Si⁴⁺ dans les couches tétraédriques. Les cavités octaédriques formées par l'empilement de deux couches élémentaires d'hydroxyles et/ou d'oxygène ne sont pas toutes accessibles aux cations. Ces cavités sont occupées à raison de deux sur trois par les cations trivalents d'aluminium. Les substitutions d'aluminium dans les couches octaédriques peuvent être atome par atome, comme elles peuvent consister en la substitution de chaque paire de cations Al³⁺ par trois cations divalents tels que les cations de magnésium Mg²⁺. Lorsque les cations divalents de magnésium remplacent les cations d'aluminium, tous les sites disponibles sont alors occupés.

Entre différents feuillets de smectite, deux plans contenant des atomes d'oxygène sont en contact. Il s'ensuit que la liaison est plus faible que pour la kaolinite. De ce fait, les particules de smectite sont de très petites tailles et ont tendance à former des feuillets de très faible épaisseur, pouvant parfois correspondre à l'épaisseur d'une seule cellule. Par ailleurs, la surface spécifique des smectites est relativement grande, ce qui favorise la pénétration des fluides polaires, tels que l'eau, entre les feuillets d'argile. Les minéraux de cette famille, notamment la montmorillonite, sont de ce fait les principaux responsables du phénomène de gonflement observé à l'échelle macroscopique.

Suivant la nature des cations occupant les sites tétraédriques et octaédriques, on distingue les minéraux listés dans le tableau 1.3.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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	Minéraux	substitution dans le feuillet tétraédral	substitution dans le feuillet octaédral
Famille des smectites	Montmorillonite	Pas de substitution	1Mg^2+ se substitue à1 Al^3+ à raison de1/6
	Beidellite	Substitution de Si par Al	Pas de substitution
	Nontronite	Substitution de Si par Al	Substitution de Al^3+par Fe3+
Famille des smectites tri-octaédrales	Hectorite	Pas de substitution	Substitution de Mg^2+ par Li^2+
	Saponite	Substitution de Si par Al	Substitution de Mg^2+ par Fe^3+
	Sauconite	Substitution de Si par Al	Substitution de Mg^2+par Zn^2+

Tableau 1.3 : Caractéristiques des minéraux du groupe des smectites.

1.3.3. Le groupe des micas (l'illite) :

Argiles de type 2 / 1 ou TOT :

La structure de base des minéraux de cette famille résulte de l'association d'une couche octaédrique et de deux couches tétraédriques, qui l'entourent. Elle ressemble donc à la structure des smectites. Ce pendant, le quart des cations Si⁴⁺ est remplacé par des cations Al³⁺ (figure 1.5a). Il en résulte un déficit de charges, compensé par l'adsorption d'ion de potassium K⁺, qui s'intercalent entre les feuillets.

Figure (1.5a) : Structure des minéraux de la famille des micas (l'illite).

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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Figure (1.5b) : Cristaux des particules de micas (l'illite) vus au microscope électronique.

Comme dans le cas de la famille des smectites, on distingue plusieurs minéraux suivant la nature des cations occupant les sites tétraédriques et octaédriques. Le tableau 1.4 donne les caractéristiques de quelques minéraux de la famille des micas.

Minéra	Structure
Muscovite ux	Structure di-octaédrale ne renfermant que des cations Al^3+ dans les couches octaédriques.
Phlogopite	(micas brun) structure tri-octaédrale avec des cations Mg^2+ Occupant les sites octaédriques.
Biotite	(micas noir) structure tri-octaédrale; les cations des couches octaédriques sont principalement des ions Mg^2+ et des Fe^2+

Tableau 1.4 : Caractéristiques des minéraux du groupe des micas (l'illite).

Outre les minéraux cités ci-dessus, la famille des micas en contient d'autres, tels que les illites et les vermiculites. Dans les illites, quelques cations Si⁴⁺ sont remplacés par des ions Al³⁺. Les cations de potassium K⁺ sont par conséquent moins abondants. En plus, la structure est moins organisée et les particules sont de tailles inférieures à celles des autres minéraux de la famille des micas. Les vermiculites ont la même structure que les biotites, avec l'adsorption d'une double couche de molécules d'eau avec des cations divalents tels que Mg²⁺ ou Ca²⁺. De ce fait, l'épaisseur de la couche de vermiculite est de 14 A°. La capacité d'échange cationique des illites varie entre 10 et 40 meq/100g. Elle peut atteindre 150 meq/100g en absence de cations K⁺, tandis que la capacité d'échange cationique des vermiculites varie entre 100 à 150meq/100g.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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1.3.4. Le groupe des chlorites :

Argiles de type 2 / 1 / 1 ou TOTO :

Initialement il s'agit d'une structure TOT dont l'espace interfoliaire est totalement occupé par des Mg2+, cependant les hydroxyles interfeuillets des feuillets élémentaires TOT arrivent à se réunir latéralement pour former avec ce cation une couche octaédrique supplémentaire, donnant naissance à un assemblage de type TOT-O très stable, d'épaisseur 14 A° (Figure 1.6a).

Figure (1.6a) : Structure des minéraux de la famille des chlorites.

Figure (1.6b) : Cristaux des particules des chlorites vus au microscope électronique.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

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1.4. LA TEXTURE DES ARGILES :

La texture désigne la forme, la dimension et la disposition d'un certain nombre de minéraux naturellement groupés en une population au sein du matériau (Le Roux, 1976). L'étude systématique de matériaux argileux au M.E.B. a permis de cerner l'organisation des particules d'argile et de dégager certaines textures.

Van Olphen (1963) a proposé une classification basée sur l'association des particules argileuses entre elles, à partir des critères : dispersé, agrégé (face contre face en agrégats), floculé (association d'agrégats ou de particules bord-bord ou bord-face), défloculé (aucune association entre les particules ou entre les agrégats). Cette classification (figure 1.7) ne repose pas sur une observation directe, mais sur les possibilités d'assemblage géométrique.

d) floculé bord-bord, dispersé e) floculé bord-face, agrégé f) floculé bord-bord, agrégé

a) defloculé, dispersé b) defloculé, agrégé c) floculé bord-face, dispersé

Figure 1.7 : Arrangement des particules d'argile (Van Olphen, 1963).

Le Roux (1976) distingue trois classes principales de textures, à partir d'observations sur les marnes :

? La texture homogène où tous les minéraux sont intiment mélangés et où aucune direction n'est privilégiée.

? La texture orientée où une direction privilégiée apparaît dans l'arrangement des grains.

? La texture floconneuse ou en microagrégats où la phase argileuse se présente sous forme Grossièrement sphérique, soit seule, soit associée aux carbonates.

Collins et McGown (1974) ont tenté de préciser cette définition dans le cas des terrains contenant une proportion non négligeable de grains non argileux, en introduisant une classification des relations existant entre particules argileuses et grains sableux ou silteux (figure 1.8) : connexions argileuses entre grains silteux (a, b, c), agrégats irréguliers en nid d'abeille (d, e), agrégats réguliers (f, g), particules argileuses entrelacées avec ou sans inclusions silteuses (h, j), matrice argileuse (k) ou matrice granulaire.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

Figure 1.8 : Schéma d'assemblages de particules (Collins et McGown, 1974).

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1.5. DIFFERENTS TYPES D'EAU :

Le caractère dipolaire de la molécule d'eau lui confère la propriété d'être attirée par l'intermédiaire de ses extrémités positives à la surface négative des minéraux argileux. Cette attraction modifie les propriétés hydrodynamiques de l'eau et cela dépend de la distance entre les molécules d'eau et la surface argileuse.

Trois types d'eau existant dans la matrice argileuse, peuvent être distingués.

1.5.1. Eau liée :

Elle est attachée à la surface des grains par le jeu de forces d'attraction moléculaire. Ces forces décroissent avec la distance entre les molécules d'eau et le grain.

Une première couche adsorbée, dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques dizaines de molécules (environ 50 Â), correspond à :

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

17

? L`eau des arrêtes et des cassures de la surface du réseau cristallin. Les molécules d'eau y sont retenues par des liaisons de coordination avec les éléments superficiels du réseau cristallin.

? L'eau d'hydratation des cations échangeables.

? L'eau de surface interfeuillet, répartie entre les différents feuillets des minéraux argileux, reliés entre eux par des liens hydrogènes existant entre les groupes OH^- et O². Dans cette couche adsorbée les propriétés de l'eau sont très fortement modifiées. L'eau a la structure de la glace. La viscosité peut être supérieure de quelques dizaines de fois à celle de l'eau normale (Rosenqvist, 1959). La densité varie de 1,2 à 2,4 g/cm³ (Yong et Warkentin, 1975). L'adsorption des molécules d'eau et des ions dépend en grande partie de la surface spécifique des argiles.

Une zone de transition d'eau dite "diffuse", entre 0,005 et 0,5 um contient des molécules d'eau fixes et qui supportent encore une attraction non négligeable.

L'eau d'hydratation des argiles gonflantes (type smectites) correspond à de l'eau adsorbée et de l'eau diffuse, ou de l'eau faiblement liée.

1.5.2. Eau libre :

Au delà de 0,5 um (Marsily, 1981), l'eau n'est retenue dans l'argile que par les forces capillaires et elle est capable de se déplacer sous l'effet de la gravité ou d'un gradient hydraulique suffisant. C'est l'eau libre, appelée aussi eau interstitielle. D'une façon générale, les forces mises en jeu sur l'eau par les particules d'argiles diminuent avec la distance (Figure 1.9).

Figure 1.9 : Gonflement et hydratation du matériau argileux.

Plus d'électrons d'un côté du noyau d'un atome que de l'autre, d'où la formation de dipôles qui se rattachent par leur côté opposé électriquement, les forces mises en jeu sont faibles mais additives (d'où leur importance) et diminuent très lentement avec la distance. Elles sont

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suffisamment fortes pour déterminer l'arrangement final de certains solides et elles sont une source majeure de cohésion dans les sols fins (Mitchell 1976). Les forces d'adhésion dans les sols argileux "humides" sont principalement du type Van Der Waals (Rosenqvist 1959).

1.5.3. Eau cristalline :

Elle se situe au niveau des feuillets argileux et a besoin d'une température de 550 °C pour être éliminée. Le changement de la teneur en eau liée et cristalline peut être le seul facteur de changement de la structure interne du matériau argileux (M.R. Santos, A. Diek, J.C. Roegiers, et A.B. Fantoura). Ces trois types d'eau sont influencés par la nature des minéraux argileux et par le chimisme de la solution d'hydratation.

1.5.4. Principales type d'hydratation (principales causes du gonflement) :

La recherche bibliographique a permis de mettre en évidence quatre principaux phénomènes d`hydratation des argiles :

? Hydratation par capillarité,

? Hydratation par adsorption

? Hydratation par osmose,

? Transformations chimiques

La structure complexe des argiles leur confère la particularité de s`hydrater par le phénomène de succion.

On définit la succion comme étant une mesure d'affinité entre le sol et l`eau interstitielle. Elle se définit comme la somme de plusieurs composants (Delage et Cui, 2001).

2. LE PHENOMENE DE GONFLEMENT

:

2.1. INTRODUCTION :

Les sols argileux sont connus pour leur forte propension à réagir avec l'eau. Une humidification des Particules argileuses provoque le gonflement. Ce phénomène est complexe, il est dû d'une part à la Saturation des pores du sol qui neutralise les forces capillaires et d'autre part à l'absorption des molécules d'eau sur la surface des particules argileuses avec pénétration d'eau entre les feuillets qui constituent ces particules. En cas d'évaporation de l'eau contenue dans l'échantillon, une diminution de volume se produit, ce qui provoque l'apparition de fissures de retrait.

Ces phénomènes de gonflement et de retrait causent de nombreux désordres pour les structures de génie civil fondées en surface des sols gonflants et pour les ouvrages enterrés. Divers désordres ont été répertoriés dans ce domaine.

L'étude du comportement des argiles gonflantes est donc un domaine important qui peut aboutir à améliorer la maîtrise de leur utilisation et à la réduction des effets indésirables qu'elles peuvent induire. Le gonflement des argiles met en jeu un couplage entre plusieurs phénomènes physico-chimiques et mécaniques. Le gonflement relève de deux phénomènes principaux : gonflement cristallin par hydratation des espaces inter foliaires et gonflement osmotique par répulsion entre les feuillets des particules. Les modifications de l'état de chargement mécanique et du degré de saturation du sol peuvent influencer considérablement ces deux mécanismes de base.

Le phénomène de gonflement se développe à l'échelle microscopique, au niveau des particules. Mais, Dans la pratique il est préférable de le caractériser par une approche macroscopique. Des essais peuvent alors servir à quantifier le processus de gonflement en fournissant des paramètres directement exploitables dans le dimensionnement des ouvrages de génie civil. Dans la pratique les essais peuvent être faits soit in-situ soit en laboratoire.

2.2. MECANISMES DU GONFLEMENT DES ARGILES :

2.2.1. Le Gonflement au sens physico-chimique :

Les phénomènes physico-chimiques et mécaniques varient. Le gonflement d'un sol peut résulter de la diminution des contraintes en place à la suite d'un déchargement, après une excavation, ou par imbibition du sol. Il se traduit par une augmentation du volume du sol ou un accroissement des pressions régnant dans le milieu selon que le matériau peut se déformer ou non (Serratrice et Soyez, 1996). Il est à noter que l'augmentation de la teneur en eau lors d'une imbibition ne provoque pas toujours une augmentation de volume suivant la nature du matériau.

En effet, un sol sec essentiellement sableux ou silteux peut s'humidifier par remplacement de l'air contenu dans les vides, sans augmentation conséquente de volume. Par contre, dans le cas de sols argileux, le gonflement résulte de forces de répulsion qui s'exercent entre les particules argileuses, entraînant une augmentation de volume à mesure que la teneur en eau augmente. Le gonflement des particules argileuses, à l'échelle microscopique, est directement lié à leurs Propriétés minéralogiques, électrochimiques et à leurs surfaces spécifiques qui varient d'une famille d'argiles à l'autre. D'après Morel (1996) et Mouroux et al. (1988), le phénomène de gonflement paraît relever de deux causes :

- l'hydratation des espaces interfoliaire, entraînant une augmentation de la porosité interfoliaire (gonflement interfoliaire ou gonflement cristallin).

- la répulsion entre les particules, soit l'augmentation de la porosité interfoliaire et inter particulaire pouvant affecter toutes les argiles (gonflement inter particulaire ou gonflement osmotique).

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2.2.1.1. Hydratation des espaces inter foliaires :

Lors de l'hydratation d'une éprouvette d'argile sèche, l'eau pénètre dans l'espace inter foliaire et s'organise en couches mono moléculaires, puis interagit avec les feuillets et les cations déjà présents. Cette hydratation favorise la création d'une pression, appelée pression de disjonction, qui a pour conséquence une augmentation de la distance inter foliaire et donc un gonflement de l'ensemble des deux feuillets, c'est le gonflement cristallin (Yong, 1999).

Ce gonflement n'est possible que lorsque les liaisons interfeuillets sont très faibles pour laisser pénétrer l'eau dans l'espace interfoliaire. C'est le cas par exemple de la montmorillonite.

Le phénomène de gonflement est influencé par la nature des cations interfoliaire. Ainsi la montmorillonite sodique (Na⁺) gonfle plus qu'une montmorillonite calcique (Ca²⁺) (Dardaine et al, 1985; Saiyouri, 1996). En effet, le rayon ionique de Na⁺est plus proche de la taille de la molécule d'eau et son interaction avec cette dernière est plus faible que pour le cation Ca²⁺. L'eau se répartit alors plus facilement à la surface du feuillet.

Dans les argiles illitiques, le gonflement cristallin est très faible et il est quasiment inexistant dans les kaolinites.

D'après Tessier (1990), ce type de gonflement ne représente qu'environ le dixième du gonflement macroscopique total d'une argile gonflante. Il est donc nécessaire selon lui d'envisager un autre mécanisme de gonflement que celui relevant uniquement des seules variations interfoliaire.

2.2.1.2. Répulsion entre les particules :

Le gonflement osmotique se produit lorsque l'énergie d'hydratation est suffisante pour franchir la barrière de potentiel due aux forces électrostatiques attractives entre feuillets.

L'adsorption des cations par les particules argileuses et la formation de la double couche diffuse sont responsables de la répulsion des deux particules (Mitchell, 1993). En effet, dans une argile sèche, les cations sont fortement adsorbés à la surface des feuillets argileux. Les cations en excès, par rapport à ceux assurant l'électroneutralité des particules argileuses et des anions associés, sont présents sous forme de sels. Si l'argile sèche est placée au contact de l'eau, les sels s'y dissolvent, mais les différents ions se répartissent de manière non homogène, la concentration en cation devient plus forte au voisinage des surfaces externes des argiles, tandis que les anions ont plutôt tendance à s'éloigner des surfaces argileuses. La zone perturbée, ainsi créée par cette répartition non homogène des cations et des anions, est appelée la double couche diffuse (Bolt, 1956) .Cette dernière assure l'électroneutralité du système entre la particule d'argile et la double couche diffuse du modèle de Stern. La théorie de la double couche diffuse a permis de démontrer mathématiquement que le recouvrement de deux couches diffuses de même signe est responsable de la répulsion de deux particules (Van Damme, 2002). Appliquée à la multitude de particules

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constituant une éprouvette d'argile, cette théorie permet d'expliquer le gonflement à l'échelle macroscopique.

Une autre approche plus fréquemment utilisée permet, selon Mitchell (1993), d'expliquer le gonflement de manière plus pratique, c'est le concept de "pression osmotique". Dans cette approche, du fait des différences de concentration au sein de la couche diffuse, des pressions osmotiques sont développées à chaque fois que les doubles couches de deux particules se chevauchent. La surface argileuse chargée négativement jouerait un rôle comparable à celui d'une membrane semi-perméable, séparant deux solutions de concentration en sel différentes (aucun cation ne vient cependant traverser la surface argileuse) (Van Damme, 2002). La différence de pression osmotique créée entre les deux particules et la solution à l'équilibre environnant les particules d'argile est appelée "pression de répulsion inter particulaire". On peut alors imaginer qu'à l'échelle macroscopique, ce phénomène d'origine microscopique, répété un très grand nombre de fois, se répercute par l'apparition d'un gonflement observable. Rappelons également que le gonflement d'un sol argileux dépend non seulement de la minéralogie des argiles mais aussi de la texture (Bauer- Plaindoux et al., 1998), c'est-à-dire de l'agencement du squelette et du réseau poreux de ces minéraux au sein des autres minéraux constituants le matériau. Sous certaines conditions, les minéraux argileux gonflants peuvent se retrouver piéger au sein d'une matrice siliceuse ou carbonatée, créant des complexes susceptibles d'empêcher ou d'annuler le Gonflement de ces minéraux.

En résumé, la pression osmotique joue un rôle prépondérant dans le gonflement des argiles saturées. Une diminution de contraintes effectives dans le sol se traduit au niveau macroscopique par le gonflement des argiles. La théorie de la double couche fournit une interprétation intéressante des phénomènes physico-chimiques sur le plan qualitatif, mais l'application quantitative de cette théorie aux minéraux argileux ne permet pas toutefois de caractériser au mieux la texture réelle et complexe d'un matériau argileux. De plus, lorsque les argiles ne sont plus saturées, suite à une dessiccation répétée par exemple, d'autres forces deviennent prépondérantes dans l'hydratation des argiles, comme les forces d'attraction dues aux charges électriques, les forces capillaires de Van der Waals et les forces dérivant de l'énergie d'hydratation des cations échangeables (TranNgoc Lan, 1989). L'ensemble de ces forces constitue la force de succion qui agit directement sur les molécules d'eau. Cette succion est faible à nulle pour des sols saturés et très forte pour des sols secs.

2.2.2. Le Gonflement au sens mécanique :

Le phénomène de gonflement, de même que le tassement, peut provenir d'une modification de l'état de contraintes dans le sol en présence d'eau. Un sol est constitué de 3 phases :

? phase solide (les particules solides)

? phase liquide (eau interstitielle en général)

? phase gazeuse (bulles d'air).

Le sol est saturé si la phase gazeuse disparait, c'est-à-dire si tous les vides

interparticulaires sont occupés par l'eau interstitielle. Considérons ici un élément de sol saturé à

l'équilibre. Dans un sol saturé soumis à une contrainte totale ó (géostatique ou surcharge

extérieure óe), cette dernière se décompose de la façon suivante :

óe= ó = ó'+u (Théorie de Terzaghi, 1951)

Où u désigne la pression interstitielle de l'eau des pores et ó' la contrainte effective, c'est-à-dire

la contrainte exercée sur le squelette solide du sol.

Si l'élément de sol considéré est situé sous la nappe phréatique à une cote z, la pression

interstitielle est égale à la pression exercée par la colonne d'eau sus-jacente, soit u0 = ãw.z. Si l'on permet alors au sol de se drainer, un phénomène de consolidation va se développer, correspondant à l'expulsion de l'eau en surplus. Un nouvel équilibre va alors s'établir pour l'état de contraintes, avec :

u0= 0

ó'= óe

Dans un milieu poreux, l'existence conjointe d'une phase gazeuse et liquide provoque le développement de ménisques capillaires air-eau. Le développement de ces ménisques dans la structure du sol est la caractéristique principale d'un milieu non saturé (Delage et Cui, 2000), et traduit une pression négative de l'eau appelée succion. Si la contrainte se est alors supprimée, le même phénomène se produit en sens inverse, et immédiatement :

u = -óe

ó' = óe

La pression interstitielle u devient négative (succion négative) et opposée à la variation de la contrainte totale. Dans des conditions de libre circulation de l'eau, un phénomène de gonflement va alors se développer, exprimant l'absorption de l'eau et le transfert d'une contrainte négative de l'eau sur le squelette solide, jusqu'à l'état final où :

u = 0

ó' = 0

Il est donc possible d'affirmer que si la consolidation exprime une diminution de la pression interstitielle jusqu'à u0, le gonflement exprime quant à lui la diminution de la succion (-u) jusqu'à son annulation. La succion capillaire du terrain s'exprime alors par la relation suivante :

S = ua-uw

Où ua représente la pression de l'air dans le sol et u_w, la pression interstitielle de l'eau dans le sol.

2.3. CINETIQUE DE GONFLEMENT :

Le processus de gonflement des sols argileux est contrôlé par plusieurs mécanismes superposés à différentes échelles et s'exprime de manière différée à l'échelle macroscopique.

La cinétique du gonflement, c'est-à-dire la relation existant entre la déformation et le temps, est en générale très lente et dépend de la nature et de l'état du sol et du niveau de chargement (Serratrice et Soyez, 1996).

Figure 1.10 : Courbe de gonflement en fonction du temps

Sur la courbe habituelle du gonflement en fonction du logarithme du temps (Figure1.10), obtenue, soit lors d'un essai de gonflement libre, soit lors d'un palier de déchargement, il est possible de distinguer deux phases de déformations : un gonflement primaire et un gonflement secondaire (Parcevaux, 1980; Alonso et al, 1989, 1991; Serratriceet Soyez, 1996).

La première phase est relativement « rapide » en comparaison avec la seconde et est liée au processus de diffusion ou de migration de l'eau dans les pores de l'éprouvette (Alonso et al 1989, 1991, Serratrice et Soyez, 1996). Autrement dit, le gonflement primaire est dû à la dissipation de succion dans les macropores du sol. Il est contrôlé par le gradient de charge hydraulique et la perméabilité du sol. Il dépend de la nature du matériau, de son état de saturation, de l'état de contrainte, de la procédure d'imbibition (par une face seulement ou par les deux faces). La cinétique est plus ou moins lente et dure de quelques heures à quelques jours (Serratrice et Soyez, 1996).

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La phase de gonflement secondaire est liée à l'hydratation progressive des minéraux argileux, elle correspond à un processus de cinétique lente d'après Alonso et al. (1989, 1991).

En partant de ces interprétations des phases de gonflement, ces mêmes auteurs ont proposé un modèle de l'évolution du gonflement en fonction du temps.

Par ailleurs, d'autres auteurs (Dakshanamurthy 1978 ; Vayssade, 1978 ; Parcevaux, 1980 ; Sridharan et al., 1986 ; Abdullah et al., 1999), analysant le phénomène d'un point de vue empirique, ont proposé à partir d'essais de laboratoire une loi hyperbolique entre le taux de gonflement d'un échantillon d'épaisseur, ho, et le temps t, de la forme :

t

å? =
	a+bt

où ?v désigne la déformation verticale, a et b deux constantes. La relation proposée par Parcevaux (1980) est :

?h G t tt = G

h0 B+t

Avec :

G taux de gonflement final (Äh/ho) f, obtenu pour un temps infini.

B temps de demi-gonflement par rapport au gonflement final.

Les paramètres G et B peuvent être déterminés graphiquement dans le système de

coordonnée [t, t/ (Äh/ho)], et correspondent respectivement à l'inverse de la pente et au produit

de G par l'ordonnée à l'origine.

Parcevaux (1980) a montré que :

- G et B étaient influencés par les contraintes initiale et finale appliquées au sol.

- G oscille autour d'une valeur moyenne pour un type de sol donné, sous un état de

contrainte fixée.

- B peut être considéré comme proportionnel à l'épaisseur ho de l'échantillon.

De plus, les résultats obtenus par Parcevaux (1980) sur la propagation du gonflement

mettent en évidence que :

- la loi hyperbolique est aussi applicable sur chaque élément d'un échantillon divisé en tranche. Chacune d'entre elles se comportant comme un échantillon complet.

- avec une alimentation en eau uniquement par le haut, le phénomène de gonflement se propage dans les couches inférieures avant sa réalisation complète dans les couches supérieures en raison de l'existence de succions différentielles.

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- au bout d'un temps suffisamment grand, le taux de gonflement tend vers une valeur unique en tout point de l'échantillon si l'épaisseur de celui-ci est suffisamment faible

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pour que l'influence de la contrainte géostatique demeure négligeable.

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2.4. PARAMETRES MOTEURS DU GONFLEMENT :

Le gonflement des sols argileux dépend de plusieurs facteurs définis à l'échelle microscopique et macroscopique.

2.4.1. La composition minéralogique :

La quantité d'argile gonflante (type smectite) est l'un des premiers facteurs qui conditionne le gonflement d'un sol argileux. En effet, les propriétés gonflantes du sol seront d'autant plus marquées que le pourcentage de minéraux expansifs du type smectite sera élevé (Komine et Ogata, 1994; Tabani, 1999 et Xu et al. 2003). Ainsi à partir d'un mélange de limons de Xeuilley (Lx) et de bentonite calcique (B), Tabani (1999) montre que le taux de gonflement passe (?h/h0) de 6,3 % à 44,4 % lorsque le pourcentage massique de bentonite augmente de 10 à 100 %. Dans le même temps, la pression de gonflement croît de 205 à 740 kPa (Figure 1.11).

Figure 1.11 : Taux de gonflement en fonction du pourcentage de bentonite d'après Tabani

(1999).

2.4.2. L'état initial du sol :

Les paramètres géotechniques de base tels que la teneur en eau initiale et le poids volumique sec, définis à l'échelle macroscopique lors de l'échantillonnage, jouent un rôle important sur le processus de retrait et du gonflement des sols argileux. Ces paramètres ont fait l'objet de très nombreuses études notamment par Komornik et David (1969), Basmaet al. (1996),

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Chen (1975), Brackley (1973) et Komine&Ogata (1992) qui soutiennent l'idée que la pression de gonflement est essentiellement une fonction de la densité sèche initiale du matériau et qu'elle est indépendante de la teneur en eau initiale. Par contre Komornik et David (1969) et Basmaet al. (1996) ont noté que la pression de gonflement des sols augmente avec la densité sèche initiale et lorsque la teneur en eau initiale diminue, mais sans obtenir de bonnes corrélations entre les paramètres concernés. L'influence de la teneur en eau est donc variable, et dépend des caractéristiques du sol comme des conditions d'essai, tandis que la densité sèche est reconnue comme le facteur ayant le plus d'importance sur le potentiel de gonflement (Figure 1.12). Par ailleurs, El-Sohby et Rabba (1981) ont remarqué que l'effet de la teneur en eau initiale sur le taux et la pression de gonflement n'est pas significatif lorsqu'elle est inférieure à la limite de retrait, mais que son effet devient important sur le gonflement final lorsqu'elle est supérieure à la limite de retrait. Guiras-Skandaji (1996) a montré que la teneur en eau initiale d'échantillons compactés à la même densité sèche a une influence considérable sur les caractéristiques du gonflement. Il établit que la pression de gonflement croit lorsque la teneur en eau initiale diminue (Figure 1.13).

Figure 1.12 : Influence de la densité sèche sur le gonflement (Sridharan et al.1986).

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Figure 1.13 : Influence de la teneur en eau initiale sur la pression de gonflement mesurée par la
méthode de gonflement libre (d'après Guiras-Skandaji, 1996).

D'autres auteurs ont travaillé en laboratoire sur des argiles plastiques compactées afin de montrer que la hauteur des échantillons remaniés (Hachichi et Fleureau, 1999) a une influence importante sur la succion et sur la pression de gonflement (Komine et Ogata, 2003).

Les résultats ont montré que plus l'échantillon est dense, plus le gonflement est important. Alonso et al. (1999) ont pu observer que la pression de gonflement passe par un maximum avant de décroître au cours de l'hydratation (Figure 1.14). Des essais à succion contrôlée sur des échantillons d'argiles de Boom compactés ont donné les mêmes résultats (Romero, 2001).

En même temps que la succion diminue et que la pression de gonflement augmente (Lloret et al., 2003), la résistance entre les agrégats du sol diminue et à partir d'un certain seuil, les particules s'effondrent et provoquent la baisse de la pression de gonflement. Ceci indique que la teneur en eau initiale et la densité sèche initiale d'un sol argileux ont un effet sur le taux et la pression de gonflement. Comme la pression de gonflement et le taux de gonflement d'un sol argileux dépendent du poids volumique sec initial et de la teneur en eau initiale, ils dépendent aussi de la succion initiale. En effet, lorsque la succion initiale du sol diminue, sa capacité d'absorption en eau diminue d'autant jusqu'à saturation du sol, ce qui réduit le taux de gonflement du sol.

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Figure 1.14 : Evolution de la pression de gonflement au cours de l'humidification
(Alonso et al., 1999).

Ce pendant il ne faut pas négliger d'autres paramètres pouvant aussi influencer aussi le processus de retrait-gonflement in- situ et que l'on ne peut reproduire en laboratoire à cause de l'effet d'échelle. Ces paramètres sont le micro-climat, la topographie, le type de végétation, l'hydrogéologie et enfin la température de l'air et du sol du lieu d'étude.

2.4.3. Modification des contraintes mécaniques :

La modification de l'état de contraintes totales dans le sol, du fait par exemple de l'adjonction ou de l'enlèvement de charges ou de surcharges conduit, lorsqu'un nouvel équilibre s'est établi, à une déformation du sol, qui se traduit en général par un déplacement en surface (tassement, soulèvement). Ce déplacement est le résultat de la somme des déformations élémentaires crées en tout point du massif de sol par la modification de l'état des contraintes. 2.4.4. Modification des contraintes hydriques :

Un changement dans l'environnement hydrique du sol conduit à une modification des pressions interstitielles régnant en son sein. Par exemple, la variation du niveau de la nappe modifie le champ de pression interstitielle aussi bien au-dessus qu'en-dessous du niveau de la nappe, influence l'état de contrainte effective, et induit des variations de volume dans le milieu.

Dans un sol non saturé, la contrainte effective cy' d'après Bishop & Blight (1963) est liée à la contrainte totale cy, à la pression de gaz (en général de l'air) ua et à la pression de l'eau uw qui règnent dans les interstices entre les particules par la relation :

(1)

cy'= cy--ua+ X(ua-uw) = P+ Xs

Où X est le coefficient de Bishop généralement relié au degré de saturation, qui varie entre 0pour

un sol sec et 1 pour un sol saturé, P= (cy-ua) est la contrainte nette appliquée et S= (ua-uw) est la pression interstitielle négative ou la succion.

Les différentes pressions de l'eau ou de l'air sont considérées par rapport à la pression atmosphérique. La relation (1) montre que, si la contrainte totale et la pression de l'air restent constantes et que la pression interstitielle diminue à la suite d'un abaissement du niveau de la nappe, le terme de succion (u_a-u_w) croît, entraînant une augmentation de la contrainte effective, ce qui aura pour effet de comprimer le sol et de provoquer un tassement en surface. Cette équation ne traduit pas correctement le phénomène d'effondrement du sol (Jennings & Burland, 1962).

Par des effets capillaires, les sols situés au-dessus de la nappe, niveau défini tel que la succion soit égale à zéro, restent quasi saturés sur une hauteur importante pouvant atteindre

plusieurs dizaines de mètres dans les sols argileux et avec une pression interstitielle de l'eau uw négative.

2.4.5. Cycles de séchage/humidification :

L'influence des cycles de séchage/humidification sur le comportement hydromécanique des sols gonflants a été étudiée par plusieurs auteurs (Chu & Mou 1973, Pousada 1984, Dif&Bluemel 1991, Day 1994, Al-Homoud et al. 1995, Basma et al., 1996, Subba Rao et al. 2000, Tripathy et al. 2002, Alonso et al. 2005).

Un sol gonflant a tendance à converger vers un état d'équilibre après avoir subi plusieurs cycles d'humidification/séchage, dans cet état, le comportement du sol est supposé élastique. La (figure 15-a) présente les résultats expérimentaux de cycles hydriques successifs sous une charge constante de 7 kPa sur un sol gonflant d'après Chu et Mou(1973). Le gonflement volumique plastique se produit dans le premier cycle de mouillage, après plusieurs cycles de succion, l'accumulation de déformation diminue et le comportement reste approximativement réversible pendant les derniers cycles d'humidification et de dessiccation. Dif&Bluemel (1991) ont présenté le même type de résultats sur l'argile d'Hoheneggelsen qui a manifesté une contraction après les cycles successifs de succion à une charge constante. Subba Rao et al. (2000) ont réalisé des essais cycliques sur un sol gonflant compacté à des teneurs en eau différentes sous une faible charge (6,25 kPa) sans mesure de succion. Leurs essais montrent que la valeur de l'indice des

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vides reste inchangée, pour une valeur initiale de l'indice des vides qui était égale à 0,65, après avoir subi plusieurs cycles d'humidification et de séchage pour les différentes conditions initiales. Day (1994) et Tripathy et al. (2002) ont réalisé aussi les mêmes expériences sans mesure de succion. Ils montrent que le chemin réversible est atteint au bout de quatre ou cinq cycles d'humidification et de séchage. En revanche, Alonso et al(2001) postulent que la position d'équilibre ne sera atteinte qu'après un nombre infini de cycles.

Figure 1.15 : Cycle de succion a) d'après Chu & Mou (1973) b) d'après
Dif&Bluemel (1991).

Alonso et al. (1995) ont réalisé des essais de sollicitations hydriques cycliques sous différentes charges verticales constantes (Figure 15). Le matériau étudié était l'argile de Boom compactée selon une procédure permettant de réaliser des éprouvettes comportant une double structure. Leurs résultats montrent qu'il est Possible d'obtenir une accumulation de déformations de compression ou d'extension avec un même type de sol, uniquement en faisant varier la contrainte verticale. Ceci a été confirmé par une étude similaire, présentée par Alonso et al. (2001), et menée sur un mélange sable/bentonite. Alonso et al. (1995) concluent que la contrainte verticale, par le biais du rapport de pré consolidation rapport entre la pression verticale appliquée et la pression de compactage) détermine le comportement du sol sous sollicitations hydriques cycliques.

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Figure 1.16 : Variations de volume d'une argile gonflante lors de cycles d'humidification/dessiccation réalisés sous différentes charges verticales constantes (Alonso et al., 1995).

2.5. CLASSIFICATION ET PREDICTION :

2.5.1. Les paramètre du gonflement :

Dans la littérature géotechnique, on distingue trois principaux paramètres pour la caractérisation des Paramètres hydromécaniques des sols gonflants.

Ces paramètres sont : la pression de gonflement, le potentiel de gonflement et l'indice de gonflement.

? La pression de gonflement d'un élément de sol, dont l'état physique initial est connu, peut être définie comme l'état de contrainte à exercer pour maintenir son volume constant pendant l'imbibition sans distorsion jusqu'à sa saturation complète. Cette définition de la pression de gonflement est la plus usitée mais elle n'est pas la seule.

? Le potentiel de gonflement d'un sol, dont l'état physique initial est connu, est la déformation maximale (Äh/h0) que provoque l'imbibition de cet élément soumis à un état

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De contrainte nulle ou quasi nulle jusqu'à sa saturation complète.

? L'indice de gonflement Cs d'un sol traduit l'importance de la déformation de gonflement induite par un déchargement par rapport à un état de contrainte donnée, il est

défini par la pente de la courbe e = f (log ?) obtenue en déchargement lors d'un essai oedométrique classique.

Il n'y a pas de proportionnalité entre la pression de gonflement et le potentiel de gonflement. Ainsi, certains matériaux possèdent une pression de gonflement très élevée mais un potentiel de gonflement très faible, pour d'autres matériaux c'est l'inverse. Il faut donc connaître ces deux paramètres pour caractériser le gonflement.

2.5.2. Méthodes d'estimation du gonflement :

2.5.2.1. Identification qualitative des sols gonflants :

L'identification des sols gonflants est généralement abordée à partir des paramètres physico-chimiques facilement mesurables lors des essais préliminaires. Or, cette identification se trouve compliquée par l'existence de plusieurs approches qui ne se basent ni sur les mêmes paramètres ni sur le même nombre.

Le recensement à partir de la bibliographie (Djedid et al., 2001, Bultel F., 2001 et Khemissa M. et al., 2005) des classifications permet de les ranger en trois classes en fonction du nombre de paramètres physico-chimiques utilisés.

Ainsi, la classification d'Altmeyer (1955) donnée par le tableau (1.5), celle de Seed, Woodward et Lundgren (1962) donnée par le tableau (1.6), celle de Ranganatham et Satyanarayana (1955) donnée par le tableau (1.7) et celle de Snethen (1980) donnée par le tableau (1.8) se basent tous sur un seul paramètre.

Les classifications basées sur deux paramètres sont celle établie par l'établissement de recherche en bâtiment (Grande Bratagne, 1980) donnée par le tableau (1.9), celle établie par Ghen (1988) donnée par le tableau (1.10), celle établie par Vijavergia et Ghazzaly (1793) et celle établie par Dakshanamurphy et Raman (1973). Ces deux dernières classifications utilisent l'abaque de plasticité de Casagrande la ligne A sépare les sols gonflants (au-dessus) des sols non gonflants (au-dessous). Dakshanamurphy et Raman (1973) y introduisent des bornes en fonction de la limite de liquidité.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

33

WR (%)	Potentiel de gonflement
<10	Fort
10 -12	Critique
>12	faible

Tableau 1.5 : Potentiel de gonflement d'après Altmeyer (1955).

Taux de gonflement	S (%)	Ip
Faible	0 -1,5	0 -10
Moyen	1,5 -5	10 -20
Elevé	5 -25	20 -35

Tableau 1.6 : Potentiel de gonflement d'après Seed, Woodward
Et Lungreen (1962).

	IR	Potentiel de gonflement
0	- 20	Faible
20	- 30	Moyen
30	- 60	Fort
>	60	Très fort

Tableau 1.7 : Potentiel de gonflement d'après Ranganatham
Et Satyanarayana (1965).

	IP	Potentiel de gonflement
>	35	Très élevé
22	- 48	Elevé
22	- 32	Moyen
<	18	Faible

Tableau 1.8 : Potentiel de gonflement d'après Snethen (1980).

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

34

Ip (%)		P<2?m		Potentiel de gonflement
>	35	>	95	Très élevé
22	- 48	60	- 95	Elevé
18	- 22	30	- 60	Moyen
<	18	<	30	faible

Tableau 1.9 : Potentiel de gonflement d'après l'établissement de Recherche bâtiment (1980).

P<74?m	WL (%)	Pression de gonflement	Potentiel de gonflement
		(6 ans)
> 95	> 60	10	Très élevé
60 - 95 Tabu	40 - 60 9 Pot	2,5 - 5 gonfle	Elevé abliss
30 - 60	30 - 40	1,5 - 2,5	Moyen
< 30	< 30	< 0,5	Faible

Tableau 1.10 : Potentiel de gonflement d'après Ghen (1988).

Figure 1.17 : Classification proposée par Dakshanamurthy et Raman, (1973).

Enfin, dans la catégorie des classifications utilisant trois facteurs, on cite la classification de Holtz et Gibs (1956) donnée par le tableau 1.11, celle de Holtz, Dakshanamurphy et Raman

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

35

(1973) donnée par le tableau 1.12, celle de Seed et al. (1962) et celle de Williams et Donaldson (1980). Ces deux dernières classifications sont données respectivement par les figures 1.18 et 1.19 données ci-après. Sur ces figures est représenté le nuage de points représentatifs des sols testés.

P<2 ?m	Ip (%)	WR (%)	Pourcentage de retrait	Potentiel retrait
>28	>35	<10	>30	Très élevé
20-30	20-40	7-10	20-30	Elevé
13-23	15-30	10-15	10-30	Moyen
<15	<18	>15	<10	faible

Tableau 1.11 : Potentiel de gonflement d'après Holtz et Gibbs (1956).

Potentiel de gonflement	Ip (%)	WR (%)	WL (%)
Faible	< 18	> 15	20 - 35
Moyen	15 - 25	10 - 15	35 - 50
Fort	25 - 41	7 - 12	50 - 70
Très fort	> 35	< 11	> 70

Tableau 1.12 : Potentiel de gonflement d'après Holtz, Dakshanamurthy Raman (1973).

Figure 1.18 : Classification de Seed et al. (1962).

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

36

Figure 1.19 : La classification de Williams et Donaldson (1980).

2.5.2.2. Estimation du gonflement - Méthodes empiriques (indirectes) :

Les méthodes indirectes consistent à établir une corrélation entre le taux de gonflement ou la pression de gonflement et quelques paramètres géotechniques faciles à obtenir au laboratoire. Ainsi, après avoir déterminé les paramètres géotechniques du sol, l'emploi de formules empiriques permet de connaître rapidement le potentiel de gonflement du sol, c'est-à-dire d'estimer ou de quantifier le gonflement et (ou) la pression de gonflement qui peuvent se développer en cas de variations des conditions hydriques et (ou) mécaniques.

De nombreux auteurs ont tenté de relier la pression de gonflement ó_g ou le potentiel de

gonflement C_g aux paramètres classiques de mécanique des sols (teneur en eau initiale wi,

densité sèche initiale ãd0, limite de liquidité wL, indice de plasticité IP, limite de retrait ws, pourcentage des particules d'argiles < 2ìm,...) qui semblent être les facteurs les plus influents sur le gonflement des argiles. Plusieurs relations empiriques ont été proposées.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

37

Auteur(s)	Équations	Paramètres
Seed et al. (1962)	Eg=2,16.10-3(Ip) 2,44	Eg et Ip
Ranganatham et Satyanarayana (1965)	Eg= 41,13.10-5(WL-Ws) 2,67	Eg , WL et Ws
Komornik et David (1969)	Eg= 6,7 + 2,4Ip (marnes) Eg= 0,9 + 2,1Ip (argiles) logag= -2,132+0,0208 WL + 6,66.10^-4yd -0,0269Wi	Eg(%) ag (kPa) Wi (%) WL (%) yd (kg/m^3)
Vijavergia et Ghazzaly (1973)	log Eg = 0,033 WL - 0,083 Wi +0,458 log ag= 0,033 WL - 0,083 Wi +1,967	Eg(%) ag (kPa) Wi (%) WL (%)
Vijavergia et Ghazzaly (1973)	log Eg = 0,033 WL + 0,0032 yd - 6,692 log ag= 0,033 WL + 0,0032 yd - 5,154	Eg(%) ag (kPa) WL(%) yd (kg/m^3)
Didier et al. (1973)	log ag= uWL + v yd- t W+ k =2,55 (yd/yw)- 1 705 ,	u, v, t et k sont des constantes W : teneur en eau naturelle (%) WL (%), yd (g/cm^3) et ag (bars)
O'Neill et Ghazzaly (1977)	Eg=2,77 + 0,131 WL -0,27 Wi	Eg(%) Wi et WLsans unités
Brackley (1983)	Eg= (5,22-147(e/Ip) log P).(0,525Ip+4,1- 0,85 Wi) Eg=5,22-147(e/ Ip)	ag (kPa) e : indice des vides P : surcharge extérieure (kPa) Wi (%) et Ip(-)
Komine et Ogata (1994)	Eg= ( Kyd -1)*100	Eg(%) K est un constant yd (g/cm^3)
Guiras-Skandaji (1996)	Eg=-117,59+ (3,0571. Wi)	Eg(%) Wi (%)
Yilmaz (2006)	Eg=0,155WL-0,763CEC-2,04	Eget WLsans unités CEC (meq/100g)

Tableau 1.13 : Modèles d'estimation du taux de gonflement (Eg) et de la pression de

gonflement (ag).

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

2.5.2.3. Estimation du gonflement - Méthodes directes :

? Méthode de gonflement libre :

Dans l'essai de gonflement libre, l'échantillon, soumis à une faible pression correspondant au poids du piston et de la pierre poreuse, est laissée en contact avec de l'eau. Une fois le phénomène de gonflement stabilisé, l'échantillon quasi-saturé suit un chemin de chargement par paliers avec stabilisation des déformations sous chaque palier. La pression de gonflement correspond à la charge qu'il est nécessaire d'appliquer pour ramener le volume de l'échantillon à sa valeur initiale. Cette méthode peut se faire dans un oedomètre ou un appareil triaxial (figure 1.20).

óv

?h/h0

(%)

óvg

?v/v0

(%)

órg

ór

38

(a) chemin oedométrique (b) chemin triaxial

Figure 1.20 : Méthode de gonflement libre à l'appareil oedométrique et triaxial.

Le mode de chargement influe sur la valeur de la pression de gonflement. En effet, Guiras-Skandaji (1996) a montré que la pression de gonflement déterminée à partir des essais de gonflement libre dépend de la vitesse de chargement). Un chargement rapide, après 24 heures, aboutit à une pression de gonflement plus importante qu'un chargement lent (à la fin de la phase de consolidation primaire : après stabilisation des déformations). Ce comportement a déjà été constaté également par Tisot (1984).

L'avantage de cette méthode est qu'elle nécessite une seule éprouvette et permet d'obtenir, outre la Pression de gonflement et le gonflement libre, la courbe de compressibilité du sol saturé (après gonflement).Cependant, l'inconvénient est qu'elle n'est pas représentative du chemin de contrainte suivi par le sol lorsqu'il subit un gonflement sous confinement (Brackley, 1975 ; Justo et al., 1984 et El Sayed & Rabbaa,1986).

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

e

0.8

1.8

1.4

1.2

1.0

1.6

Indice des vides initial

O Paliers rapides

Paliers stabilisés

39

1 10 100 1000 10000

Contrainte verticale (kPa)

Figure 1.21 : Gonflement libre puis rechargement avant et après la consolidation primaire
(Guiras-Skandaji, 1996).

? Méthode de gonflement sous charges constantes :

sx

Pour éviter l'inconvénient de la stabilisation de chaque palier de la méthode précédente, on peut utiliser une méthode dite « méthode de gonflement sous charges constantes » ou« méthode de gonflement en parallèle ». Elle nécessite plusieurs échantillons identiques, chaque échantillon est soumis à une humidification sous charge constante (pression verticale à l'odomètre ou contrainte isotrope à l'appareil triaxial) , selon la valeur de la charge, il se produit un gonflement ou un effondrement du sol. En traçant la courbe des déformations volumiques en fonction des contraintes appliquées (Log ó) lors de l'humidification, on peut déterminer la contrainte correspondant à une déformation nulle, qui est la pression de gonflement. Selon Gilchrist (1963), Noble (1966), Sridharan et al., (1986), Guiras-Skandaji (1996), Bigot et al., (1998) et Yahia-Aïssa (1999),cette courbe est une droite, tandis que Chu & Mou (1973) trouvent une courbe exponentielle et Philipponnat (1991), une droite ou une hyperbole. Le potentiel de gonflement dans cette méthode est variable, il correspond à la variation de hauteur sous une pression donnée.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

?H/H0(%) ?V/V0(%)

órg

log óv logór

óvg

40

a) chemin oedométrique (b) chemin triaxial

Figure 1.22 : Méthode de gonflement sous différentes charges à l'appareil
oedométrique et triaxial.

L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de s'approcher le plus des conditions in situ (Sridharan et al., 1986 ; El Sayed & Rabbaa, 1986 ; Edil et Alanazy, 1992). En effet, le gonflement vertical in situ se fait généralement sous charge verticale constante. En revanche, l'inconvénient est qu'elle nécessite au minimum trois échantillons identiques, qui dans certains cas, sont difficiles à préparer si l'on veut travailler sur des échantillons intacts. C'est pour cela qu'elle est plutôt utilisée pour des matériaux remaniés.

? Méthode de gonflement à volume constant

Le principe de cette méthode est d'humidifier une éprouvette tout en maintenant son volume constant. L'essai est pour suivi jusqu'à ce que l'échantillon ne présente plus de tendance au gonflement. La pression nécessaire pour maintenir le volume constant est la pression de gonflement. A l'oedomètre ceci consiste à bloquer le piston sur un bâti de presse afin d'empêcher la déformation de hauteur et à mesurer l'évolution de la contrainte de gonflement verticale óvg (figure 23.a) à l'aide d'un capteur de force intercalé entre la cellule et le bâti de presse. Pour l'appareil triaxial, la contrainte de gonflement latérale órg (figure 23.b) est aussi mesurée à l'aide d'un contrôleur pression-volume.

CHAPITRE 1 RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES

óvg

ógóvg

temps temps

a) chemin oedométrique (b) chemin triaxial

41

Figure 1.23 : Méthode de gonflement à volume constant

3. CONCLUSION :

S'agissant du gonflement des sols argileux, il apparait qu'on est devant un phénomène très complexe. Ce phénomène survient suite à l'interaction du matériau argileux avec l'eau, à différents stades entrainant la modification de plusieurs de leurs mécanismes physiques et chimiques.

Cette modification apparait surtout sur la structure et de la texture du matériau argileux, du fait du nouveau réarrangement des particules et de la compensation des vides.

Une bonne compréhension de la caractérisation d'un sol argileux déduites par les essais d'identification qui sont très utiles pour l'évaluation du potentiel de gonflement, ne nous exempt pas des essais devant se faire en laboratoire sur des échantillons intacts afin d'en déterminer les paramètres exacts de gonflement par les méthodes expérimentales directes.

1. CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

42

INTRODUCTION :

La stabilisation est une technique qui permet d'améliorer la portance et le comportement à l'eau d'un sol ou d'un matériau moyennant l'ajout d'un liant hydraulique (ciment, chaux...) ou d'un liant hydrocarboné (bitume, émulsion de bitume...).

Il existe différents types de traitement des argiles gonflantes. Ces traitements, de manière générale, permettent de lier et de cimenter les particules entre elles, afin d'augmenter la résistance du matériau et de réduire sa sensibilité à l'eau.

Les deux techniques de stabilisation les plus utilisées pour valoriser les sols sont les suivantes :

? Traitement aux liants hydrauliques (traitement physico-chimique): les liants hydrauliques sont des produits d'origine minérale qui par réaction avec l'eau donnent des réseaux cristallins enchevêtrés et ayant une bonne cohésion et pouvant aboutir à des jonctions avec le squelette minéral (contrairement aux produits de type colle qui eux ne peuvent qu'adhérer au squelette minéral)

Parmi les stabilisations les plus couramment utilisées on distingue :

- Stabilisation à la chaux

- Stabilisation au ciment

- Stabilisation en cendres volantes,

? Traitement avec un matériau non argileux (traitement chimique):

Il s'agit de mélanger le matériau argileux gonflant avec un autre d'argilosité presque nulle, ce sont par exemple les sables, les graviers .Ces matériaux inertes réduisent le pourcentage global d'éléments actifs (inférieurs à 2 microns) et réduisent, par la même, l'activité du gonflement de l'argile. L'efficacité de ce mode de traitement sera fonction du pourcentage d'éléments inertes, de leur granulométrie et du mode de mise en place du mélange.

2. PROCEDES DE TRAITEMENT DES SOLS GONFLANTS :

2.1 Stabilisation par l'ajout de la chaux :

Outre son utilisation pour le traitement des sols en construction routière, la chaux peut être utilisée dans de nombreux domaines: sidérurgie, verrerie, industrie papetière, agriculture, construction, etc. Aujourd'hui, les chaux utilisées en construction sont des produits normalisés. Outre les paramètres repris dans la norme, des caractéristiques supplémentaires sont spécifiées dans les cahiers des charges types.

2.1.1 Les différents types de chaux :

La chaux peut exister sous les trois formes suivantes:

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

43

? Chaux vive: elle est principalement constituée d'oxyde de calcium CaO (en général à plus de 90 %). Une chaux vive pour le traitement des sols est selon la norme NBN EN 459 à définir comme NBN EN 459-1 - CL90-Q;

? Chaux éteinte (ou hydratée): elle est principalement constituée d'hydroxyde de calcium Ca(OH)2. Elle est fabriquée par hydratation (extinction) de la chaux vive. La réaction d'hydratation est une réaction fortement exothermique:

CaO + H2O ? Ca (OH) 2 + chaleur (15,5 Kcal/mole CaO)

L'extinction de la chaux vive par l'eau entraîne une pulvérisation très fine du produit. Une chaux hydratée pour le traitement des sols est selon la norme NBN EN 459 à définir comme NBN EN 459-1 - CL90-S.

? Lait de chaux: il est obtenu par mise en suspension de chaux éteinte dans de l'eau. La

concentration varie entre 300 et 400 g de chaux éteinte par litre de lait. Le lait de chaux

peut également être préparé à partir de chaux vive, mais des précautions particulières sont

à prendre en raison de l'exothermicité de la réaction d'hydratation de l'oxyde de calcium. Son emploi en traitement de sols présente l'avantage de supprimer la poussière et d'humidifier les sols secs (alors que la chaux vive achève au contraire de les dessécher). En pratique, le lait de chaux ne fait pas l'objet d'une norme car ses caractéristiques, c'est-à-dire essentiellement sa concentration, sont déterminées par les besoins réels des matériaux au moment des travaux. On mesurera donc:

- sa concentration (exprimée en extrait sec ES);

- éventuellement la teneur en chaux libre.

La chaux vive contient à peu près 30 % de CaO disponible de plus que la chaux éteinte. Une tonne de chaux vive est équivalente à environ 1 300 kg de chaux éteinte. La chaux vive pèse entre 700 et 1 100 kg/m3 alors que la chaux éteinte ne pèse que 560 kg/m3.

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

44

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

45

? 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

46

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).

2.1.5. La performance des traitements à la chaux :

? à Court terme :

- Modification de l'état hydrique : la chaux vive et la chaux éteinte abaissent la teneur en eau alors que le lait de chaux permet une élévation de la teneur en eau.

Il faut noter que l'abaissement de la teneur en eau peut être supérieur a celui provoque par la chaux a cause de conditions atmosphériques évaporantes. L'assèchement qui se produit lors du malaxage peut être préjudiciable pour le traitement de la CDF, mais il peut être compense par un arrosage complémentaire.

- Modification de la fraction argileuse

Réduction de l'argilosité par floculation : actions sur les charges électriques des particules fines. Le phénomène se traduit par une réduction de l'indice de plasticité (sol rigide, frottant), une augmentation de la résistance au cisaillement du sol (élévation de l'IPI ? rigidité), et une modification des caractéristiques de compactage.

L'énergie de compactage nécessaire est réduite avec la réduction de ñd. Un matériau moins dense est plus facile à compacter qu'un matériau qui a une densité plus importante et donc qui va offrir une plus grande résistance au coup asséné par le compacteur.

? à long terme :

La performance à long terme d'un traitement à la chaux peut susciter beaucoup

D'intérêt parmi les gens oeuvrant dans le domaine. Cette partie traite brièvement de quelques études qui ont permis d'évaluer la durabilité de certains traitements.

Prusinski (1 999) stipule que peu d'études-terrain existent sur la performance à long terme des sols traités à la chaux ou au ciment. II s'inquiète particulièrement sur la possibilité que la réaction de l'échange cationique puisse être réversible. Si ce phénomène existe, les propriétés mécaniques atteintes suite à une stabilisation pourraient être perdues. Or, ses recherches n'ont pu prouver cette allégation.

Biczysko (1996) a évalué la performance à long terme de l'infrastructure d'une route stabilisée à la chaux. Ses études ont démontré, entre autres, un gain de l'indice de CBR après 7 ans d'une argile traitée à 3 % de chaux vive passant de 20-29 à 30-35.Dans cette même étude. Des essais à la plaque permettant de catégoriser la valeur (k) d'une sous-fondation indiquent après 6 ans des gains de rigidité du simple au double. Dans ses recherches, Biczysko (1996) confirme que, même après 17 ans de service, les deux sites évalués ont maintenu leurs performances.

Selon Little (1995) le suivi-terrain le plus complet sur la performance à long terme a été réalisé par Aufmuth en 1970. En effet. Aufrnuth (1 970) a effectue la comparaison des valeurs CBR de plusieurs sols non-traités à ceux traités ayant des teneurs en chaux déférentes. II conclut que la résistance gagnée suite à une stabilisation à la chaux demeure permanente avec l'âge.

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

	CHAUX
Actions immédiates Actions à long terme	- abaissement teneur en eau - rigidité par floculation (résistance au cisaillement) - prise pouzzolanique (cimentation) - syntaxe (pralinage)

Tableau 2.1 : Récapitulatif des actions de la chaux.

2.1.6. Méthode d'utilisation de la chaux dans le traitement du sol :

La plusieurs méthode utilise dans le traitement sol gonflement par la chaux, malaxage sur

place et technique d'injection, colonnes de chaux... . (Monnaers 1947).

2.1.6.1. Malaxage sur place :

Pour comprendre l'intérêt du traitement a` la chaux et ses répercussions sur les propriétés

s des matériaux, il est nécessaire de comprendre les interactions entre la chaux et les minéraux en

contact avec l'objet des deux paragraphes qui suivent est donc de donner un éclairage particulier

sur les interactions entre la chaux et les argiles, d'une part, et la chaux et les matériaux

carbonates, d'autre part. Les percussions sur les propriétés géotechniques des matériaux ainsi

traite' s seront développes ensuite.

Le malaxage a lieu soit dans une installation annexe, soit en couche étalée.

Coût de fourniture de chaux (et éventuellement de ciment) et de la mise en oeuvre (scarification,

épandage, nivellement et compactage) des sols en place.

Manière générale, le traitement en installation annexe présente les avantages suivants:

? homogénéité du mélange;

? réduction des émissions de poussière;

49

Voire figure (cas a - cas b) ((fediex section Kalk sectie).

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

50

(Cas a)

(Cas b)

Figure 2.1 : Traitement par Malaxage.

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

51

2.1.6.2. Technique d'injection :

Le procédé de traitement par injection est utilisé en surface et en profondeur si le terrain. (Cas a)

(Cas b)

Figure 2.2 : Technique par injection (cas a, cas b) (Zenkhri ,2010).

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

52

2.2. Stabilisation par l'ajout du ciment :

Le ciment est un liant hydraulique, c'est-à-dire un matériau minéral finement moulu qui,

gâché avec de l'eau, forme une pâte qui fait prise et durcit à la suite de réactions et de processus

d'hydratation et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l'eau.

Le ciment agglomère fortement les matériaux inertes incorporés dans le mélange.

2.2 .1. Constituants :

Le ciment est obtenu par le mélange homogène dans certaines proportions des

constituants principaux et des constituants secondaires avec du sulfate de calcium.

La norme européenne NBN EN 197-1 relative au ciment définit les constituants suivants:

- Constituants principaux (> 95 % de la somme des constituants principaux et secondaires):

- Clinker Portland (K);

- Laitier granulé de haut-fourneau (S);

- Matériaux pouzzolanique:

-Pouzzolane naturelle (P);

-Pouzzolane naturelle calcinée (Q);

- Cendres volantes:

- Cendre volante siliceuse (V);

- Cendre volante calcique (W);

- Schiste calciné (T);

- Calcaire (L - LL);

- Fumée de silice (D);

- Constituants secondaires (< 5 % de la somme des constituants principaux et secondaires);

- Additifs (< 1 % de la somme des constituants principaux et secondaires);

- Sulfate de calcium (l'addition de cette matière a pour objet de réguler le temps de prise du

ciment dans certaines limites).

2.2.2. Production du ciment :

La fabrication proprement dite du ciment consiste à doser et à moudre finement les

différents constituants dans des proportions bien déterminées. En broyant le clinker Portland

avec un régulateur de temps de prise et les éventuels constituants complémentaires, en fonction

du type de ciment à fabriquer, on obtient un mélange homogène et intime des constituants. La

finesse finale de mouture est fixée en fonction de la réactivité et de la classe de résistance

souhaitées.

2.2.3. Différents types de ciments, composition, désignation normalisés :

On distingue cinq types de ciments courants:

- CEM I Ciment Portland;

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

53

- CEM II Ciment Portland composé;

- CEM III Ciment de haut-fourneau;

- CEM IV Ciment pouzzolanique;

- CEM V Ciment composé.

Les ciments selon la norme NBN EN 197-1 doivent au moins être désignés par leur type,

complété du nombre 32.5, 42.5 ou 52.5 qui désigne la classe de résistance. La classe de

résistance à jeune âge est fixée par l'ajout de la lettre N ou R.

2.2.4. Choix du ciment pour le traitement de sol :

Dans la gamme étendue disponible, le choix du type de ciment se fera sur différents

critères:

- temps de prise assez long, pour la mise en oeuvre;

- bonne résistance à moyen et long terme;

- compatibilité avec le sol à traiter;

- bon rapport qualité/prix.

En principe, toutes les classes de ciments peuvent convenir pour le traitement des sols.

Les ciments les plus couramment utilisés dans ce domaine, sont les ciments de haut-fourneau

(CEM III) de classe de résistance 32,5 N ou 42,5 N. Les ciments à prise rapide (CEM I) ne sont

pas recommandés.

2.2.5. Réactions ciment - sol argileux :

Le processus de stabilisation initié par l'ajout du Ciment Portland à l'argile engendre

quatre étapes distinctes :

- L'échange cationique;

- La floculation et l'agglomération de l'argile; - L'hydratation par cimentation;

- La réaction pouzzolanique.

Le ciment portland possède des propriétés lui permettant d'initier une étape de plus que

la chaux, soit celle de l`hydratation par cimentation.

Lorsque le Ciment Portland est hydrate, en plus du C-S-H, il forme également l'hydrate

d'alumine-calcique (C-A-H) et le Ca(OH)2 . Le CS-H et le C-A-H Forment un réseau servant de

« colle » donnant une structure et de la résistance au mélange (Prusinski et al. 1999).

2.2.6. La performance des traitements au ciment :

a. à court terme :

- Modification de l'état hydrique : assèchement par apport de matière sèche.

- Modification fraction argileuse : floculation des minéraux argileux.

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

b. à long terme :

La prise hydraulique confère au matériau traite une résistance en traction prédominante dans leur comportement. En effet le matériau traite au liant hydraulique (MTLH) est assimilable au béton de ciment, employé dans la construction des bâtiments ; ce dernier a une forte résistance en compression et une faible résistance en traction. Les effets de sollicitation du MTLH au sein de la structure de chaussée sont considères vis3a3vis du fluage, or c'est précisément la résistance en traction qui va clairement limiter cet allongement de la couche.

La prise hydraulique se déroule en 3 étapes :

a. démarrage de la prise: mise en solution puis gel - c'est le temps du délai de maniabilité pour la mise en oeuvre

b. développement de la cristallisation du gel (rigidification)

c. durcissement (poursuite de la croissance de la résistance).

"En traitement de sol, les durées de prise et de durcissement interviennent pour évaluer, d'une part, le temps au bout duquel il est possible de solliciter mécaniquement le matériau traite (notamment la possibilité d'être circule par les engins de chantier) et, d'autre part, les délais d'étude nécessaires pour caractériser les résistances pouvant être escomptées a long terme avec la formule du mélangé retenue." (GTS).

	Ciment
Actions immédiates Actions à long terme	- assèchement par apport matière sèche - floculation - prise hydraulique (résistance en traction)

Tableau 2.2 : Récapitulatif des actions du ciment.

2.2.7. Méthode d'application :

54

L'ajout du Ciment conjointement avec la chaux aide à augmenter les propriétés mécaniques du sol traité. Généralement, le sol est traité dans un premier temps avec la chaux. En préparation à l'ajout du ciment. Cette première étape permet d'assécher le sol par absorption et évaporation de l'eau et nécessite seulement une faible application de chaux de l'ordre de 1 %. Ce processus de modification réduit considérablement l'indice de plasticité rendant le sol friable et donc plus maniable. L'ajout du ciment vient ensuite fournir au mélange les pouzzolanes

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

55

nécessaires afin que le sol puisse gagner de la résistance mécanique dans le temps. Les sols possédant un faible pourcentage d'argile, donc moins de silice et d'alumine, ont besoin de cet apport en ciment si les réactions pouzzolanique (stabilisation) sont désirées.

Little (1995). A développé une grille de décision qui fournit le stabilisant le plus approprié selon la granulométrie et les limites d'Atterberg. II ressort de cette grille que le Ciment peut généralement être utilisé dans les mêmes types de sols que la chaux. Prusinski et al. (1999)' rapportent également que contrairement à la croyance populaire, le Ciment peut stabiliser efficacement des sols ayant un lp pouvant atteindre 50.

Enfin. Chaddock (1996) rapporte que de plus grandes résistances ont été atteintes après sept jours sur une argile sableuse et une argile silteuses avec un traitement de chaux-ciment comparativement à un traitement à la chaux seule.

Figure 2.2 : Stabilisation au ciment.

2.3. Stabilisation par l'ajout des cendres volantes :

Les cendres volantes sont des cendres fines produites lorsqu'un carburant pulvérisé tel le charbon, est brûlé dans une centrale thermique pour la production d'énergie. Ce produit est connu comme une pouzzolane artificielle possédant les propriétés d'un liant pouzzolanique. Un exemple de pouzzolane naturelle est le charbon volcanique.

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

56

Avant la combustion, le charbon est pulvérisé dans une usine de charbon et est injecté dans une fournaise à l'aide d'air chaud sous pression. Le charbon est ensuite brûlé en suspension à des températures variant de 1300 à 1600⁰ C. Environ 15 % du charbon tombe entre des grilles situées au bas de la fournaise. Ce charbon est appelé « charbon de foyer », et est relativement grossier (de 30 pm à 30 mm). Environ 80 à 85 % s'échappe en dehors de la fournaise par les fumées sous forme d'une poudre sèche très fine connue sous le nom de «cendre volante ».

2.3.1. Les propriétés physiques :

Les cendres volantes ont une composition très semblable à celle du ciment. Elles ont un aspect de poudre fine, douce au toucher et leur couleur varie d'un brun crème au gris noir. Leur couleur dépend de la teneur en carbone non brûlé, en oxyde de fer et de leur humidité. Les particules sont un mélange de billes pleines, de coquilles ouvertes vitreuses et de grains anguleux.

La dimension des particules s'échelonne de 0.5 à 200 pm avec un passant au tamis de 80 pm d'environ 75 à 90 % et au tamis de 50 pm de 60 à 85 % (Chauvin et al, 1980). La surface spécifique varie entre 2000 à 4 000 cm21g et la densité des cendres volantes sèches en vrac varie de 550 à 900 kg/m3 après tassement.

2.3.2. Les propriétés chimiques :

II existe deux classes de cendres volantes produites à l'aide de charbon soient les cendres silico-alumineuses et les cendres sulfo-calciques. La norme ASTM C618 catégorise également les cendres volantes en deux catégories, soient la Classe F (silico-alumieuse) et la Classe C (sulfo-calcique). Le tableau 2.3 indique la composition chimique des deux classes en comparaison avec le Ciment Portland.

Composés Chimiques	Classe F Silico-alumineuse	Classe C Sulfo-calcique	Ciment Portland
(%)	(%)	(%)
SiO2	55	29	23
Al2o3	26	13	4
Fe203	7	9	4
Cao (chaux)	9	41	65
Mgo	2	1	2
so3	1	7	2

Tableau 2.3 : Composition chimique en pourcentage des cendres volantes et du Ciment Portland. (Chauvin et al, 1980; Lav et Kenny, 1997)

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

57

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

58

Les quatre composés importants des cendres volantes nécessaires pour la stabilisation sont donc la silice, l'alumine, l'oxyde de fer et la chaux dont la somme représente entre 92 et 97 % de leur masse totale. Les cendres provenant de la combustion de lignite (cendres sulfo-calciques) contiennent plus de chaux (41 %) et moins de silice.

2.3.3. Stabilisation des argiles l'aide des cendres volantes :

La plupart des sols peuvent être traités avec un mélange chaux-cendres volantes. L'approche générale du dosage du mélange consiste à ajouter suffisamment de cendres volantes afin de bien remplir les vides du mélange ainsi que d'y apporter une densité maximale. L'étape suivante consiste à ajouter suffisamment de chaux permettant de favoriser les réactions pouzzolanique entre la chaux et les pouzzolanes disponibles dans les cendres volantes.

L'addition des cendres volantes à l'argile réduit considérablement sa perméabilité. Par conséquent. Tout dépendant du type de sol, I `addition de cendres volantes et de chaux peut donner de meilleurs résultats qu'avec la chaux seule (Davidson et al, 1962). Ainsi, un mélange de cendres volantes et de chaux semble avoir les propriétés d'un liant hydraulique, soit d'être capable de durcir non seulement dans l'air, mais également dans l'eau (Lav et al, 1997). Avec un bon dosage. I `addition des cendres volantes peut augmenter les propriétés mécaniques d'un sol notamment sa résistance au cisaillement (Davidson et al, 1 962; Hadi. 1999; Lav et al, 1 997).

En conséquence, grâce à leurs propriétés pouzzolanique, la chaux et les cendres volantes peuvent continuer a augmenter la résistance mécanique d'un sol pendant plusieurs années. II est important de noter que les cendres volantes peuvent se comporter différemment en raison de leur teneur en chaux. Par exemple, les cendres silico-alumineuses possèdent peu de chaux dans leur composition chimique et ne peuvent ainsi agir comme un liant hydraulique à elles seules. Elles ont toutefois les caractéristiques d'une pouzzolane qui les rapprochent des cendres volcaniques. II est donc nécessaire de leur ajouter de la chaux pour qu'elles fonctionnent.

Pour obtenir un vrai liant avec un mélange de cendres volantes et de chaux, il faut utiliser un ratio approprié. Le ratio chaux/cendres volantes peut varier entre 113 à 115 (Colombier et al, 1980). Contrairement aux cendres silicoalumineuses, les sulfo-calciques possèdent à elles seules les propriétés d'un liant hydraulique car elles contiennent 41 % de chaux. Elles sont donc des cendres volantes hydrauliques.

2.4. Autre techniques de stabilisation :

? Drainage :

C'est la technique la plus classique qui est mise en oeuvre. Plusieurs procédés sont utilisés ; comme les tranchées drainant, drains de carton, drains de sables verticaux, tapis de la cote de la nappe (Livet).

· Substitution :

C'est la suppression de la couche du sol gonflant. C'est la solution la plus évidente. Si la couche a une grande épaisseur, la suppression totale ne peut être envisagée. Elle consiste excaver Jusqu'à une certaine profondeur puis remblayer avec des sable ou autres matériaux graveleux. C'est une solution très coûteuse.

· Application de fortes pressions :

Le gonflement peut être évité en appliquant au sol des pressions supérieures à la pression de gonflement. IL s'agit de pression de gonflement réelle, c'est-à-dire correspondant à la pression limite minimum nécessaire pour empêcher le sol de gonfler par des chemins de contraintes réelles, in situ, cette pression peut être appliquée soit par l'édifice lui même, soit par des surcharges qui sont généralement des remblais de sols non gonflants (Mouroux.1969). C'est une solution à déconseiller.

· Compactage :

Dawson recommande de compacter les argiles à des densités minimales et Seed (1961) note que les argiles compactées de la côte sèche de l'optimum ont plus tendance à gonfler que si elles sont compactées de la côte humide. Malheureusement, de la côte humide, Les argiles sont moins résistantes. Il faudrait donc retrouver un compromis.

· Prehumidication :

On crée ainsi un gonflement avant construction et si une forte teneur en eau est maintenue. Le volume restera sensiblement constant par la suite. Deux techniques sont utilisées : - Simple arrosage par jet.

- Création de bassins au-dessus du sol gonflant, et c'est beaucoup plus utilisé.

· Traitement thermique :

Une augmentation de la température peut améliorer la résistance d'une argile. En réduisant la répulsion électrique entre les particules sous l'effet de la chaleur on provoque un écoulement de l'eau interstitielle due au gradient thermique appliqué.

· Utilisation de fondations et d'édifices spéciaux :

Elles sont utilisées, soit pour réduire le gonflement, soit pour dissiper les pressions du gonflement. L'étude la plus intéressante était faite par Jennings et Evans (cité par Mouroux ; 1969). Elle donne, en effet, plusieurs types de construction suivant le soulèvement estimé. Elle comprend :

- Des renforcements en acier des murs pour assurer une plus grande rigidité.

- Des « constructions Split », c'est-à-dire, conçues pour assurer le déplacement éventuel sans dommage d'une partie de l'édifice.

CHAPITRE 2 STABILISATION DES ARGILES

59

- Des reports de charges sur des semelles isolées.

- Des pieux fondés sur une couche peu gonflante.

Par ailleurs, on peut placer un tapis graveleux entre l'argile et la construction pour amortir l'effet du gonflement.

3. CONCLUSION :

La stabilisation des sols argileux a été étudiée par un grand nombre de chercheurs. Beaucoup de méthodes et d'appareillages ont été mis au point, pour connaître l'influence de l'efficacité d'une solution ou d'un produit sur la stabilisation d'un sol argileux. Quelques exemples sont cités concernant l'utilisation de produits chimiques servant à la stabilisation des sols argileux.

Autour de cette idée que s'articule ce chapitre, a été consacré à l'étude bibliographique présentant l'état d'avancement de la recherche dans le domaine de la stabilisation des sols argileux.

Le choix des techniques de stabilisation les plus utilisées dépend de plusieurs paramètres tels que ; les considérations économiques, la nature du sol à traiter, la durée de l'opération, la disponibilité des matériaux à utiliser ainsi que les conditions d'environnement.

APERÇU DU SITE

Les échantillons d'argile que nous avons expérimentés ont été prélevés dans la commune de M'daourouch, dans l'enceinte de l'Ecole de la Gendarmerie Nationale. Notre choix a été guidé par le fait que le projet en question a subi divers désordres affectant la maçonnerie et les dallages. Ces désordres avaient été attribués, après une expertise approfondie effectuée par le Laboratoire Géotechnique BEGAS, aux effets du gonflement du sol de fondation argileux généré par les fluctuations saisonnières de la nappe superficielle.

? CONTEXTE GEOLOGIQUE :

Le site où ont été effectués les prélèvements se situe au coeur du synclinal de M'daourouch. Il est caractérisé par les formations du Mio-plio-quaternaire continentales et lagunaires constituées par une série détritique argileuse à la base et des calcaires lacustres au sommet. Cette série d'une puissance n'excédant pas 300 m, débute sur les calcaires du Maestrichtien et les grés du Miocène inférieur, par des conglomérats à gros galets emballés dans des sables et des argiles continentales rouges dont l'épaisseur peut atteindre une cinquantaine de mètres. Au dessus dominent les argiles limoneuses crayeuses à intercalations de sables gréseux grossiers.

? APERÇU CLIMATOLOGIQUE :

Le climat de M'Daourouch est dit tempéré-chaud. L'hiver se caractérise par des précipitations bien plus importantes qu'en été. Selon la classification de Köppen-Geiger, le climat est de type Csa « semi-aride ». La température moyenne annuelle est de 13.8 °C. Les précipitations sont en moyenne de 587 mm. Les données climatiques suivantes correspondent aux moyennes relevées par la station météorologique de M'daourouch sur la période 1980/2012.

? Pluviométrie :

Mois	J	F	M	A	M	J	J	A	S	O	N	D	Total
P (mm)	77	74	69	54	53	22	11	14	36	45	60	72	587

? Températures :

Mois	J	F	M	A	M	J	J	A	S	O	N	D
T° min	0.4	1.2	2.7	5	8.6	12	14.9	15.3	13.6	9.2	5.2	1.6
T° max	9.8	11.1	14.4	18.1	22.4	27.7	32.1	31.7	27.5	20.8	15.1	10.8
Moy	5.1	6.1	8.8	11.5	15.5	19.8	23.5	23.5	20.5	15	10.1	6.2

60

61

APERÇU DU SITE

40

35

30

25

20

T (°C)

15

10

5

0

80

70

60

50

40

p (mm)

30

20

10

0

Fev

Juil

Avr

Nov

Sep

Oct

Mai

Dec

Janv

Juin

Aout

Mars

	Période
	pluvieuse					Période
						sèche

Précipitations Températures

? Diagramme ombro-thermique

Une différence de 66 mm est enregistrée entre le mois le sec et le mois le plus humide. L'écart de température entre le mois le plus froid et le mois le plus chaud est de 18.4° C.

? Commentaires :

La pluviométrie relativement importante entre les mois d'Octobre et Mai alimente la nappe phréatique dont le niveau monte de manière significative. Les remontées des eaux de la nappe par capillarité dans les couches argileuses constituant le sol de fondation des constructions provoquent le phénomène de gonflement qui engendre un soulèvement de la structure. En période sèche, entre Juin et Septembre, nous observons le phénomène inverse qui se traduit par un retrait des argiles dû à une dessiccation rapide par abaissement de la nappe et évapotranspiration. Ces fluctuations saisonnières entrainent des désordres dans les constructions qui se traduisent par la fissuration de la maçonnerie et le soulèvement des dallages.

La caractérisation des sols gonflants par la détermination des paramètres agissant, en l'occurrence, la pression de gonflement et son potentiel est une phase qu'il ne faut pas négliger lors de l'élaboration d'une étude sol. Les moyens d'en prévenir les conséquences sont divers et variés. Les plus répandus concernent la protection des ouvrages en infrastructure :

? Drainage périphérique

? Ecrans étanches (géomembrane)

? Imperméabilisation du sol et élimination radicale de la végétation autour de la construction

APERÇU DU SITE

? Application de surcharges engendrant des contraintes supérieures à la pression de gonflement. Encore faut-il que cette dernière soit bien définie et que les surcharges ne provoquent pas de tassements non admissibles.

Dans les domaines des infrastructures routières et aéroportuaires, la tendance porte plutôt sur les méthodes de traitement du sol par ajout de matériaux divers : sable, chaux, ciment, laitier de hauts fourneaux, fibre de verre, etc...

Cette dernière méthode, malgré son utilisation déjà répandue, demeure toujours en phases d'expérimentation et de recherche tant que les paramètres qui entrent en jeu, sont encore mal maitrisés. Parmi ces paramètres, on peut citer :

? Le dosage de la matière ajoutée

? L'épaisseur de la couche traitée

? L'efficacité de la méthode en grandeur réelle : retour d'expérience étant trop court.

62

APERÇU DU SITE

63

1. CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

64

INTRODUCTION :

Dans ce chapitre, nous allons présenter les différents essais que nous avons effectués en laboratoire, comme étant la partie expérimentale de notre travail.

Pour la chronologie de ces essais, nous avons établi un ordre qui prend en compte les différents paramètres et mesures à lesquels devra être soumis le sol naturel, et qui contribueront ultérieurement de façon directe dans le processus de stabilisation.

Notre série d'essais se termine par celui du gonflement proprement dit, et d'ou le phénomène qu'on projette d'éradiquer tient le nom.

2. PROGRAMME DES ESSAIS :

Les essais d'identification pour déterminer les propriétés physico-chimiques et mécaniques

des échantillons en notre disposition sont les suivants :

> La teneur en eau naturelle (w) selon la norme NF P94-050;

> Le poids volumique sec (yd) selon la norme NFP 94-053 ;

> Les limites d`Atterberg (limite de liquidité wL, indice de plasticité Ip) selon la norme NF P

94-051, 1993.

> La granulométrie, tamisage par voie humide selon la norme NF P 94-041.

> Analyse chimique selon la norme NF P 18.011.

> Essai Proctor selon la norme NF P 94-093.

> Essai de cisaillement selon la norme NF P 94-71.

> Essai de gonflement libre selon la norme XP P94.091.

3. ETUDE GEOTECHNIQUE (Présentation et résultats des essais) :

Dans cette partie de notre travail, nous donnons la description de chaqu'un des essais énumérés plus haut, son mode opératoire et le résultat escompté.

3.1 La teneur en eau naturelle (Wn) et les poids volumique apparents sec (yh et yd) : a. La teneur en eau :

La teneur en eau naturelle d'un matériau correspond au rapport d'eau en pourcentage par rapport à la masse sèche. L'obtention de la masse sèche et du rapport d'eau en pourcentage se fait par évaporation, généralement par séchage à l'étuve de laboratoire à une température d'environ 100°C.

Une fois terminé tout le processus, on mesure la teneur en eau naturelle selon la formule suivante :

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

Mw

65

(Mh - Ms)

W= * 100 = * 100

Ms Ms

W : la teneur en eau en %

M_w : masse d'eau évaporée

Ms : masse du matériau sec

Mh : masse du matériau humide

Note .
·

Les températures de séchage ainsi que la durée nécessaire pour l'évaporation de l'eau différent en fonction de la nature des produits sujets de l'opération de détermination de la teneur en eau naturelle. Une température à l'étuve (figure 1) de l'ordre de 105°C pour certains matériaux fragiles comme la vase, la tourbe et certaines argiles pourrait éliminer jusqu'à l'eau piégée et certaines fractions minérales, ainsi la texture, propriété intrinsèque de chaqu'un de ces matériaux pourrait en être affectée. Pour l'exemple, une température située entre 350°C et 600/650°C provoquerait les dés hydroxylation des minéraux argileux, si elle augmente jusqu'à750°C, elle causerait la décarbonatation de la calcite.

Figure 3.1 : étuve de laboratoire.

b. Le poids volumique apparents ('h et 'd) :

Cet essai consiste à déterminer le poids volumique d'un matériau représenté par plusieurs échantillons taillé sans aucune symétrie, avoir des échantillons aux contours réguliers pour cet essai relève pratiquement de l'impossible du fait de leurs friabilité et de la présence de cailloux empêchant leur découpage.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

66

Pour cela, on ne peut pas mesurer le volume indispensable pour l'essai en s'aidant des dimensions connues à savoir longueur, largeur et hauteur, on utilise donc la paraffine pour enduire les échantillons et les peser dans l'eau , en utilisant le poids volumique de celle-ci , qui est invariablement égal à 1 gr/cm³.

? Mode opératoire :

L'essai se fait selon les étapes suivantes :

1. On pèse l'échantillon sans paraffine et on note le poids humide Ph

2. On enduit l'échantillon de paraffine chaude, on laisse refroidir quelques instants puis on pèse Ph+P en l'air.

3. On pèse l'échantillon paraffiné sous l'eau à l'aide de la balance hydrostatique, on aura Ph+P sous eau.

4. La densité de l'eau étant égale à 1 gr/cm³, automatiquement on obtient le volume de

l'échantillon paraffiné qui n'est autre que _(Ph+P en l'air).

5. (Ph+P sous l'eau)- poids de la paraffine (PP) = Volume de l'échantillon (V).

6. La densité humide ressort par la division du poids humide sur le Volume (V).

(yh)= Ph/ V

7. Finalement le poids volumique sec ou la densité sèche (yd) est obtenue par la division de la densité humide sur 1+W/100 (1+1 centième de la teneur en eau naturelle)

yd = yh / (1+W/100)

Note : Outre les densités et la teneur en eau naturelle ressorties par cet essai, nous pouvons déduire d'autres caractéristiques, telles que la porosité, l'indice de vide et le degré de saturation.

Résultats :

Le teneur en eau mesurée est de 22,1% pour une densité dure de l'ordre de 1,67t/m³, deux valeurs qui caractérisent un sol humide et moyennement dense, le degré de saturation est égal à 98,3%, la porosité de l'échantillon étudié est de 37,5% avec un indice de vide e=0.599 Note : Formules de calcul des résultats jointes en annexe.

3.2. Limites d'Atterberg :

Cet essai conçu pour la première fois par le suédois Albert Atterberg consiste à déterminer les teneurs en eau d'un sol dans chaqu'un des trois états dans lequel il se présente, explicitement dans l'état solide, l'état plastique et l'état liquide.

Les limites à déterminer concernent les fractions égales ou inferieurs à 400 um, on les énumère comme suit :

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

? La limite de liquidité wl : c'est la limite entre l'état liquide et l'état plastique du sol, on la

détermine à l'aide de l'appareil de CASAGRANDE NF P 94-051) qui se compose d'une coupelle apte à recevoir des chocs et un outil à rainurer.

? La limite de plasticité wp : c'est la limite entre l'état plastique et l'état solide du sol,

l'essai ne demande qu'un carreau en marbre ou en verre épais, l'opérateur peut aussi utiliser une plaque pour amincir le rouleau de sol pour le réduire au diamètre voulu qui est de l'ordre de 3 à 4 mm.

Les indices qu'on déduit des limites sont :

? Indice de plasticité Ip : Il définit la teneur en eau du sol dans son état plastique, on l'obtient en retranchant la limite de plasticité de la limite de liquidité : IP= WL-WP Cet indice caractérise selon R.Dupain R.Lanchon J.C.Saint. Arroman la largeur de la zone où le sol étudié a un comportement plastique.

Un indice IP grand, caractérise un sol très sensible aux conditions atmosphériques, car plus IP est grand plus le gonflement par humidification de la terre et son retrait par dessiccation seront importants. IP précise donc aussi les risques de déformation du matériau.

? Indice de consistance IC : la détermination de cet indice nécessite la teneur en eau naturelle w du sol et ses limites d'Atterberg, une fois mesuré il nous permet de classifier un sol par son adhérence et selon l'état dans lequel il se présente .On l'obtient par la formule suivante :

IC = wI-w

'p

Le tableau suivant (3.1) nous donne l'état du sol en fonction de l'indice de consistance

Indice de consistance IC	Etat- du sol
IC > 1	Solide
0 < IC < 1	Plastique
IC < 0	Liquide

Tableau 3.1 : Etat du sol en fonction de l'indice de consistance (J.M.TCHOUANINANA

(1999).

? Mode opératoire :

Limite de liquidité : L'essai s'effectue sur un mortier du sol constitué par des fractions inférieures à 400 um. On mélange une quantité de ce mortier avec de l'eau, on place la pâte dans la coupelle, et avec l'outil à rainurer on fait un sillon. On procède à la mesure de la teneur en eau par deux prélèvements faits chaqu'un sur un coté des lèvres du sillon à la fermeture de

1 cm de celles-ci en enregistrant le nombre de chocs.

67

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

68

On refait l'opération deux ou trois fois pour avoir des teneurs en eau variables selon le nombre de chocs. La limite de liquidité est la teneur en eau en pourcentage qui correspond à une fermeture après 25 chocs.

Limite de plasticité : On prépare un mélange eau/mortier, en le pétrissant des doigts on obtient une pâte homogène, on commence à en façonner un rouleau d'environ 6 mm de diamètre pour une centaine de mm de longueur. L'amincissement de ce rouleau se fait par des allers-retours faits par le plat de la main sur le carreau de marbre. La limite de plasticité est la teneur en eau en pourcentage du rouleau qui se brise en le soulevant de son milieu 10 cm au dessus du carreau.

Figure 3.2 : limite de liquidité.

Figure 3.3 : limite de plasticité.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

Résultats :

La courbe obtenue fait ressortir une limite de liquidité de 47%.

La limite de plasticité qui est la moyenne arithmétique des trois valeurs obtenues pour les trois essais effectués, est égale à 21,14%. L'indice de plasticité calculé par l'opération (Wl-Wp) est de 25,87% ce qui met en évidence que le sol est une argile peu plastique.

L'indice de consistance calculé par la formule (IC = Wl-W

Ip ) est de 0,95

Les résultats des essais des limites de l'argile de M'daourouch sont présentés sur la figure 3.4

Figure 3.4 : classification de l'échantillon selon l'abaque de Casagrande.

69

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

70

3.3. La Granulométrie :

L'essai de tamisage par voie humide consiste à faire passer à travers des mailles calibrées et normalisées de plus en plus fines, une masse de sol sec jusqu'au refus. La masse de sol sec restant dans chacun des tamis est alors pesée. Le passage des grains de sol au travers des tamis est facilité par l'utilisation d'un mince filet d'eau et d'un pinceau. Avant cette opération, l'échantillon de sol est humidifié pendant quelques heures pour désagréger les mottes de sol.

Résultats :

Figure 3.5: courbe d'analyse granulométrie.

La courbe granulométrique de l'argile de M'daourouch montre que : Le pourcentage des fines inférieures à 80 ìm est de 93,15%

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

71

3.4. Analyse chimique :

Les résultats des analyses chimiques effectuées sont les suivants :

CaCO3 (g/kg) carbonate de calcium	SO4^2- (mg/l) Sulfate	Cl^- (mg/l) Chlore	pH (à 20°C)
187,6	652	118	5.8

Tableau 3.2 : Analyse chimique.

D'après ces résultats, nous classifions le produit de type A2, incluant les sols d'agressivité moyenne.

3.5. Essai Proctor :

mis au point par l'ingénieur Ralph R. Proctor (1933), est un essai géotechnique qui permet de déterminer la teneur en eau adéquate nécessaire pour l'obtention la densité sèche maximale d'un sol granulaire par compactage à une énergie fixée (dame de poids, nombre de coups et dimensions normés).

Le protocole de l'essai Proctor suit la norme NF P 94-093 (détermination des références

de compactage d'un matériau). Les valeurs obtenues par l'essai sont notées pour la teneur

en eau optimale, et pour la masse volumique sèche optimale dans le cas du Proctor

normal. Pour le Proctor modifié souvent utilisé pour avoir une énergie supérieure (ouvrages aux sollicitations dynamiques importantes),on désigne la masse volumique sèche optimale par (OPM).

? Mode opératoire :

L'essai consiste à humidifier un matériau à plusieurs teneurs en eau et à le compacter, pour chacune des teneurs en eau, selon un procédé et une énergie conventionnels. Pour chacune des valeurs de teneur en eau considérées, on détermine la masse volumique sèche du matériau et on trace la courbe des variations correspondantes.

Il s'agit de compacter un échantillon de sol de manière répétitive en variant sa teneur en eau. On mesure régulièrement la teneur en eau et la masse volumique sèche du matériau, lorsqu'on reporte les différentes mesures sur un graphique, on obtient une courbe .la forme de cette dernière dépend de l'influence de la variation de la teneur en eau sur le produit compacté , s'il est sensible à cette variation ,la courbe apparait en forme de cloche ,mais s'il en est peu sensible , sa courbe ressort moins recourbée (Courbe ouverte ).

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

72

Résultats :

Pour notre essai, la courbe de l'échantillon que nous avons soumis à l'essai Proctor traduit un produit moyennement sensible aux variations de la teneur en eau, elle n'est ni assez ouverte, ni trop recourbée.

Le diagramme Proctor est porté sur la figure

Figure 3.6 : courbe compactage d'argile.

La densité sèche de l'échantillon à son état naturel, représente 91,7% de la densité maximale

(ãmax = 1,82 gr/cm3) obtenue par l'essai Proctor.

3.6. Essai de cisaillement :

L'essai a pour objet de mesurer en laboratoire des caractéristiques de plasticité (rupture) d'un échantillon de sol fin soumis à un cisaillement direct selon un plan imposé, à une vitesse suffisamment lente pour que la pression interstitielle u reste nulle tout au long de l'essai.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

73

On en déduit les valeurs de l'angle de frottement p et la cohésion C, paramètres utilisés pour le dimensionnement de fondations, et on calcule la vérification des coefficients de sécurité Fs à la rupture de talus et pour la détermination des actions de poussée et de butée sur les ouvrages de confortement.

· Mode opératoire :

L'essai s'effectue sur une éprouvette de sol placée dans un bâti de cisaillement constitué de deux demi-boîtes indépendantes. Le plan de séparation des deux demi-boites constitue un plan de glissement correspondant au plan de cisaillement de l'éprouvette.

L'essai consiste à :

· appliquer sur la face supérieure de l'éprouvette un effort vertical (N) maintenu constant durant la durée de l'essai (a= N/s),

· produire, après consolidation de l'éprouvette sous l'effort (N), un cisaillement dans l'éprouvette selon le plan horizontal de glissement des deux demi-boites l'une par rapport à l'autre en leur imposant un déplacement relatif ?l à vitesse constante,

· mesurer l'effort (T) correspondant (t= T/s).

· L'essai est réalisé sur une série d'au minimum 3 éprouvettes en faisant augmenter à chaque éprouvette la valeur de l'effort vertical (N).

La contrainte verticale maximale amax (=Nmax/s) appliquée à la série d'éprouvette doit être supérieure à la contrainte effective verticale induite dans le sol après travaux.

Figure 3.7 : principe de l'essai de cisaillement direct.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

74

Résultats :

L'essai de cisaillement effectué montre un comportement presque lâche, Les contraintes au cisaillement tangentielles maximales pour les contraintes normales appliquées 1, 2 et 3 bars sont respectivement 0,62 ,0.84 et 1,06 bars. Les paramètres intrinsèques du sol C=0.41 Bars et p=l2,4°

Les figures (3.8a), (3.8b) représentent les deux courbes de l'essai (courbe contrainte /Déformation, courbe intrinsèque).

Contrainte(Bars)

0.8

0.6

0.4

0.2

1.2

0

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Déformation (mm)

Contrainte/Déformation

1 BARS

2 BARS

3 BARS

Figure (3.8a) : courbe Contrainte/Déformation.

Contrainte tangentielle (Bars)

0.8

0.6

0.4

0.2

1.2

0

1

0 1 2 3

Contrainte normale (Bars)

Courbe intrinséque

C = 0,41 bar p = 12,4°

Figure (3.8b) : courbe intrinsèque.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

75

3.7. Essai de gonflement libre :

L'essai réalisé sous odomètre consiste à mesurer les variations de hauteur de trois échantillons soumis à des charges différentes, et mis en présence d'eau. Il permet donc d'évaluer le comportement d'un sol argileux lors de son hydratation.

? Mode opératoire :

L'essai e fait en deux phases :

? Phase de Chargement :

On prépare trois échantillons cylindriques aux dimensions des cellules oedométrique. les échantillons sont à la teneur en eau naturelle _Wnat , donc ils ne sont pas remaniés. On applique à chaque bâti, une contrainte différente et on mesure la valeur du tassement après stabilisation. Les contraintes prises pour l'essai sont : 0,5, 0,75 et 1,0 Bars (figure 3.9). Si ces contraintes s'avèrent trop faibles, on fait un autre essai avec le matériau non remanié restant, dans le but d'affiner la courbe finale.

? Phase de Saturation :

La deuxième phase consiste à saturer en eau les trois échantillons de sol et de relever alors les variations d'hauteur dues au gonflement de l'argile. C'est la valeur de la hauteur finale Hf qui est importante, en comparaison de la hauteur initiale Hi.

Figure 3.9 : Essai oedométrique.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

76

Résultats :

Nous classifions le sol étudié comme étant moyennement gonflant. Les coefficients G (potentiel de gonflement) et Pg (pression de gonflement) déterminés par les essais sont respectivement 5,95% et 1,53 Bars.

Les courbes montrent que le sol gonfle rapidement à la présence de l'eau car il se sature et gonfle en même temps, les deux phénomènes que sont le gonflement et la saturation vont parallèlement.

Un sol inondé n'est pas forcément saturé.

D'après les figures (a,b,c) la stabilisation du gonflement a commencé après 48h

Déformation relative (%)

4

u

0

6

5

3

2

1

0.1 1 10 100 1000 10000

Temps (mn)

ESSAI DE GONFLEMENT LIBRE (Norme XP P94.091)

POTENTIEL DE GONFLEMENT : G = 5,92%

Contrainte axiale : CNN = 0,5 bar

Figure (3.10 a) : courbe de gonflement libre sous contrainte axiale : CNN = 0,5 bar.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

Déformation relative (%)

4

0

6

5

3

2

1

0.1 1 10 100 1000 10000

ESSAI DE GONFLEMENT LIBRE (Norme XP P94.091) Contrainte axiale : CNN = 0,75 bar

POTENTIEL DE GONFLEMENT : G = 4,83%

Temps (mn)

77

Figure (3.10 b) : courbe de gonflement libre sous contrainte axiale : CNN = 0,75 bar.

Déformation relative (%)

4

0

6

5

3

2

1

0.1 1 10 100 1000 10000

Temps (mn)

ESSAI DE GONFLEMENT LIBRE (Norme XP P94.091) Contrainte axiale : CNN = 1,0 bar

POTENTIEL DE GONFLEMENT : G = 4,06 %

Figure (3.10 c) : courbe de gonflement libre sous contrainte axiale : CNN = 1,0 bar.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

Gonflement (%)

4

0

6

5

3

2

1

0.1 1 10

Contrainte axiale (bars)

ESSAI DE GONFLEMENT LIBRE (Norme XP P94.091)

POTENTIEL DE GONFLEMENT : G = 5,92 % PRESSION DE GONFLEMENT : Pg = 1,53 bars

78

Figure (3.10 d) : courbe de gonflement libre.

CHAPITRE 3 IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DU SOL ETUDIE

79

Nature apparente				Argile rougeâtre, à concrétions calcaires blanches	Teneur en eau Wn
22,1 %				Poids volumiques apparents (t/m3)
yd			1,67
			2,039
			2,045	Indice de consistance
Ic			0,93	Indice de vide
e			0.599	Porosité
17			37,5%	Degré de saturation:
Sr			98,3 %	Limites d'Atterberg
Wl			47%
			26%	Indice de consistance
Ic			0,93	Analyse granulométrique
ø<80u			93,15%	Proctor
Wopt			16,4
			1,82	Cisaillement
Cohésion (Bars)		Ccu	0,41
		ÇOCu	12,4	Gonflement libre
G			5,92
			1,53

Tableau 3.2 : Récapitulatif des caractéristiques géotechnique d'échantillon.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

80

1. INTRODUCTION :

Dans ce chapitre, seront étudiées les modifications apportées aux propriétés physiques et mécaniques des matériaux argileux.par l'ajout de chaux du ciment. Pour notre cas l'objectif est donc d'évaluer les effets de la chaux el du ciment sur les argiles de M'daourouch et de mettre en évidence les différences de comportement.

Des facteurs variables, comme la teneur en liants et le temps, ont été pris en compte dans cette étude, de manière à évaluer l'effet du dosage et la cinétique du traitement.

La caractérisation physique et mécanique a été réalisée à partir des mesures suivantes :

· Limites d'Atterberg (WL, WP, IP).

· Potentiel et taux de gonflement (G, Pg).

· Cohésion et angle de frottement non drainée (Ccu,Øcu).

Pour chaque liant nous avons préparé quatre échantillons remaniés, l'ajout s'effectue par l'augmentation du pourcentage, pour notre étude, nous avons respectivement 2%, 4%, 7% et 10%,

Les échantillons préparés pour les essais mécaniques ont été confectionnées selon le mode opératoire suivant :

Préparation des échantillons :

Après avoir broyé finement le sol, la poudre produite est mélangée à l'eau de façon homogène puis compactée. La teneur en eau des échantillons est fixée à 16,4% et leur densité sèche à 1,82 (teneur en eau et densité sèche de l'optimum Proctor).

2. TRAITEMENT PAR L'AJOUT DE LA CHAUX :

L'ajout de chaux commence dés le début du processus à provoquer des réactions, qui entrainent des modifications à différents niveaux :

· L'état hydrique

· La plasticité

· Caractéristiques de la fraction argileuse du sol

· Augmentation de la résistance au cisaillement du sol

· Diminution du potentiel de gonflement

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

81

Nous allons expliquer ces modifications causées par l'effet de l'ajout de la chaux sur les propriétés étudiées par les essais que nous avons effectués et qui seront présentés dans cette partie d'étude.

2.1 Limite d'ATTERBERG :

Les limites d'Atterberg sont des paramètres essentiels dans l'estimation du potentiel de gonflement des sols expansifs. Afin d'étudier l'influence de la stabilisation sur les limites de consistance de l'argile de M'daourouch, des mesures des limites de liquidité et de plasticité ont été effectuées avec la chaux à différents pourcentages. Les résultats de ces essais sont consignés dans le tableau (4.1) et les figure (4.1, 4.2 et 4.3).

Teneur en chaux	Ip	Wl	Wp
0	25,87	47	21,14
2	17,44	44,24	26,83
4	20,01	42,76	22,75
7	12,76	41,38	28,76
10	23,89	38	15,11

Tableau 4.1 : Récapitulatif des limites d'ATTERBERG.

Limite de liquidité

Teneur en eau (%)	50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0			WL

0 2 4 7 10

Teneur en chaux (%)

Figure 4.1 : Variation de la limite de liquidité en fonction de la teneur en chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Teneur en eau (%)

30

25

20

15

10

0

5

0 2 4 7 10

Teneur en chaux (%)

Indice plasticité

IP

82

Figure 4.2 : Variation de `indice de plasticité en fonction de la teneur en chaux

Teneur en eau (%)

35

30

25

20

15

10

0

5

0 2 4 7 10

Teneur en chaux (%)

limite de Plasticité

WP

Figure 4.3 : variation le la limite de plasticité en fonction de teneur en chaux

L'interprétation de ces essais se présente comme suit :

Limite de liquidité :

La valeur initiale de la limite de liquidité (WL) du sol non traite est 47 %, elle diminuer régulièrement avec l'augmentation du pourcentage de la chaux pour atteindre 38 % à 10 % de Celle-ci. Alors un ajout de 10%de chaux a réduit la limite de liquidité de 9%

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

83

L'indice de plasticité :

La courbe de la variation de l'indice de plasticité (IP) est moins régulière que celle de la limite de liquidité (WL), tantôt il diminue `à 2 % et à 7%), tantôt il augmente (à 4 % et à 10 %).

La valeur minimale de l'indice de plasticité (IP)est obtenue à 7%de chaux, nous la retenons comme étant la valeur optimale ressorti de notre essai, elle est de l'ordre de 12,76 %.

Nous estimons que le point de 7 % de chaux nous explique clairement la réaction de l'échange cationique et de floculation (l'emplacement des cations de Ca²⁺a l'espace interfoliaire), et il correspond à la modification « optimale » des limites a court terme, il représente le seuil de fixation de la chaux

La figure (4.4) montre la classification des échantillons traités selon l'abaque de Casagrande

Figure 4.4 : classification des échantillons selon l'abaque CASAGRANDE

La classification du sol naturel est une argile de moyenne plasticité, avec un ajout de 2% de chaux il se situe à l'endroit des limons peu plastiques, à 4% il se maintient dans la même classe Avec un IP un peu plus supérieur, il continue dans cette classe avec la plus petite valeur de IP enregistrée à 7% de chaux.

2.2. Cisaillement :

Afin d'étudier l'influence du traitement à la chaux sur les paramètres mécaniques de la l'argile de M'daourouch, une compagne d'essais au cisaillement direct à la boite de Casagrande a

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

84

été conduite. Cette partie d'étude présente et discute les résultats obtenus pour une argile non traitée, et les argiles traitées

Pour chaque argile trois essais de cisaillement direct ont été conduits pour des contraintes normales de 1,2 et 3Bars.

Le tableau suivant (4.2), et les courbes venant après récapitulent les résultats de ces essais :

SOL	C (Bars)	?°
SOL NATUREL	0,41	12,4
2% CHAUX	0,65	21,13
4% CHAUX	0,89	26,57
7% CHAUX	1,26	34
10% CHAUX	1,53	29,6

Tableau 4.2 : Récapitulatif des résultats de cisaillement.
Figure 4.5 : courbe contrainte/déformation à 2 % de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

85

Figure 4.6 : courbe intrinsèque à 2% de chaux.

Figure 4.7 : courbe contrainte/déformation à 4 % de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Figure 4.8 : courbe intrinsèque à 4% de chaux.

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Contrainte(Bars)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Déformation (mm)

Contrainte/Déformation

1 BARS

2 BARS

3 BARS

86

Figure 4.9 : courbe contrainte/déformation à 7 % de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

87

Figure 4.10 : courbe intrinsèque à 7% de chaux.

Figure 4.11 : courbe contrainte/déformation à 10 % de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

88

Figure 4.12 : courbe intrinsèque à 10 % de chaux.

Interprétation :

Les courbes (contrainte/déformation) :

L'augmentation du pourcentage de chaux ajoutée provoque l'accroissement des

contraintes tangentielles (?)et la diminution des déformations correspondes, le comportement des échantillons devient de plus en plus dense a chaque ajout

Les courbes intrinsèques :

Concernant les paramètres intrinsèques (C et Ø) on observe une relation de
proportionnalité entre la cohésion (C) et la quantité de chaux ajoutée, la cohésion du sol naturel est de 0,53 Bar, elle atteint une valeur de 1,53 Bars à (10%) de chaux.

Pour l'angle de frottement ( Ø ) qui est initialement de 12,4° ,cette valeur augmente avec l'ajout de la chaux, elle atteint sa valeur maximale de 34° a 7% d'ajout , au delà elle diminue vers la valeur finale de 26,6° a 10 % d'ajout.

La diminution de l'angle de frottement entre 7 et 10 % est engendrée par la modification de particules argileuses

Les figures (4.13) et (4.14) présentent des courbes qui récapitulent les paramètres (C et Ø) en fonction du pourcentage de la chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

cohésion (Bars)

0.8

0.6

0.4

0.2

1.8

1.6

1.4

1.2

0

1

0 2 4 6 8 10

teneur en chaux (%)

89

Figure 4.13 : l'évolution de la cohésion (c)

angle de frottement( °)

40

35

30

25

20

15

10

0

5

0 2 4 6 8 10

teneur en chaux

Figure 4.14 : l'évolution de l'angle de frottement ( ?).

On observe nettement que l'augmentation de la cohésion est proportionnelle avec celle de la teneur en chaux.

Même constat pour l'angle de frottement, hormis à 10 % d'ajout ou il commence à diminuer.

2.3 Gonflement :

Nous avons mesuré le potentiel de gonflement G et la pression de gonflement Pg des échantillons de l'argile de M'daourouch en respectant toujours les mêmes pourcentages d'ajout de chaux qui sont de l'ordre de 2, 4,7 et 10 %. .

Les figures suivantes montrent la cinétique, le temps, le taux, et la pression de gonflement.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Figure 4.15 : essai de gonflement libre à 2% de chaux.

Gonflement (%)

4

0

6

5

3

2

1

0.1 1 10

Contrainte axiale (bars)

ESSAI DE GONFLEMENT LIBRE (Norme XP P94.091)

POTENTIEL DE GONFLEMENT : G = 5,56 % PRESSION DE GONFLEMENT : Pg = 1,4 bars

90

Figure 4.16 : courbe de pression de gonflement à 2% de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Figure 4.17 : essai de gonflement libre à 4% de chaux.

91

Figure 4.18 : courbe de pression de gonflement à 4% de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Figure 4.19 : essai de gonflement libre à 7% de chaux

92

Figure 4.20 : courbe de pression de gonflement à 7% de chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Figure 4.21 : essai de gonflement libre à 10% de chaux.

Figure 4.22 : courbe de pression de gonflement à 10% de chaux.

93

Pour les quatre essais de gonflement correspondant aux quatre ajouts de chaux, on trouve une cinétique similaire, c'est-à-dire que le potentiel et la pression de gonflement diminuent régulièrement à chaque augmentation du pourcentage de la chaux.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

94

Le temps et le taux de la stabilisation sont deux facteurs essentiels pour cet essai.

Pour nos essais le temps de la stabilisation final ne dépasse pas 36h.

La réduction du gonflement final ?G/G exprimée en pourcentage est donnée par la relation suivante :

?G

=

G

G0(%)-G?????????? (%) G0(%)

La réduction du potentiel de gonflement final ?Pg/Pg exprimée en pourcentage est donnée par la relation suivante :

?P P0(%)-P?????????? (%)

P P0(%)

Avec : G0 : gonflement de l'argile non traitée

Gajout : gonflement de l'argile + l'ajout à un certain pourcentage

P0 : pression de gonflement de l'argile non traitée

Pajout : pression de gonflement de l'argile + l'ajout à un certain pourcentage

Le tableau (4.3) représente les résultats comme suit :

Pourcentage	2	4	7	10
G(%)	5,56	5,13	,4.21	3,86
Pg(Bars)	1,40	1,34	1,23	1,09
?G/G(%)	6	13,3	28,9	34,8
?Pg/Pg(%)	8,5	12,4	19,6	28,7

Tableau 4.3 : Récapitulatif des résultats de gonflement.

La diminution significative du gonflement est attribuée principalement à la réduction de la capacité d'absorption d'eau à l'issue de l'échange cationique qui s'accentue d'autant plus par que le pourcentage important de la chaux (remplacement progressive des cations de sodium Na⁺ existant dans l'espace interfoliaire qui ont une forte énergie d'hydratation par les cations de calcium (Ca²⁺) à faible énergie d'hydratation apportés par la chaux ).

La poursuite de la réduction du gonflement avec le temps s'explique par le développement des liants de cimentation issu de la réaction pouzzolanique. Cependant, l'amélioration limitée du gonflement obtenue avec l'addition de 7% de chaux est expliquée par des quantités de chaux insuffisantes et ne permettant pas la saturation parfaite des argiles par le calcium.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

95

3. TRAITEMENT PAR L'AJOUT DU CIMENT :

Dans cette deuxième partie, nous allons étudier les modifications apportées par l'ajout du ciment à différents pourcentages sur le comportement physico-mécanique des argiles traitées à savoir la plasticité, la résistance au cisaillement et le gonflement que nous allons déterminer par des essais de laboratoire.

Aussi nous allons comparer les deux liants (ciment et chaux) de par leurs performances dans le processus de traitement ainsi que de par le temps nécessaire pour l'obtention de la stabilisation convoitée.

Nous respecteront l'ordre de l'enchainement des essais que nous avons adopté pour la partie concernant le traitement par la chaux :

3.1 Limite d'ATTERBEG :

Les effets du ciment sur les limites d'Atterberg sont consignés dans le tableau (4.1) et les figure (4.1, 4.2 et 4.3).

Teneur en ciment	Ip	Wl	Wp
0	25,87	47	21,14
2	14,41	40,01	25,3
4	12,1	38,34	24,26
7	8,7	31,4	22,7
10	7,63	35,88	28,25

Tableau 4.4 : Récapitulatif des limites d'ATTERBER

Teneur en eau (%)

45

40

50

35

30

25

20

15

10

0

5

0 2 4 7 10

Teneur en ciment (%)

Limite de liquidité

WL

Figure 4.23 : Variation de la limite de liquidité en fonction de la teneur en ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Teneur en eau (%)

30

25

20

15

10

0

5

0 2 4 7 10

Teneur en ciment (%)

Indice plasticité

IP

96

Figure 4.24 : Variation de l'indice de plasticité en fonction de la teneur en ciment

limite de Plasticité

30

25

Teneur en eau (%)

20

15

10

5

0

WP

0 2 4 7 10

Teneur en ciment (%)

Figure 4.25 : Variation de la limite de plasticité en fonction de la teneur en ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

97

Les effets de l'ajout du ciment observés à travers les courbes des limites s'interprètent de la manière suivante :

Limite de liquidité :

La limite de liquidité Wl commence à diminuer dés le premier ajout de 2 % de ciment ou

elle enregistre une valeur de l'ordre de 40.01 %, à 4% d'ajout Wl descend à 38.4 % pour se stabiliser à 31.4 % pour 7% de ciment.

Nous notons que cette limite recommence à augmenter à 10 % d'ajout, ce qui nous mène à conclure que la valeur optimale pour cet essai est obtenue en ajoutant 7 % de ciment, Wl est réduite de 16 % par rapport à celle du sol dans son état naturel.

L'indice de plasticité :

L'influence du ciment sur la plasticité les échantillons traités est très appréciable, L'IP diminue à chaque ajout, pour les pourcentages de ciment ajoutés, il enregistre 14.41%,12.1%,8.7% et 7,63%.

De notre point de vue, la réduction de la plasticité est due à la réaction de la floculation, dans un autre sens, la présence de Ca²⁺ et OH^-contribuent à l'amincissement de la double couche.

Notre présent résultat en est conséquence a chaque augmentation de l'ajout en ciment, l'écart entre la limite de liquidité et la limite de plasticité se rétrécie, ainsi l'indice de plasticité est déduit selon l'opération suivante :

(IP = WL-WP).

La figure (4.26) montre la classification des échantillons selon l'abaque de Casagrande en fonction du pourcentage de ciment ajouté.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

98

Figure 4.26: classification des échantillons selon l'abaque CASAGRANDE.

Le sol naturel avait un indice de plasticité de l'ordre d'environs 25 %. Nous l'avons classifié comme étant une argile moyennement plastique, à 2 et 4 % d'ajout en ciment il se repositionne à l'endroit des limons peu plastiques dans l'abaque de Casagrande avec des indices de l'ordre de 14.41 et 12.1 % .L'IP descend davantage pour finir à 7 et 10 % comme sol organique peu plastique.

3.2 Cisaillement :

Les résultats des essais de cisaillement effectués sont résumés sur le tableau (4.5) et les courbes correspondantes :

SOL	C (Bars)	?°
SOL NATUREL	0,41	12,4
2% CIMENT	0,76	19,4
4% CIMENT	1,14	24
7% CIMENT	1,31	32,5
10% CIMENT	1,76	30,7

Tableau 4.5 : récapitulatif des résultats de cisaillement.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

99

Figure 4.27: courbe contrainte/déformation à 2 % de ciment.

Figure 4.28: courbe intrinsèque à 2% de ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

100

Figure 4.29 : courbe contrainte/déformation à 4 % de ciment.

Figure 4.30: courbe intrinsèque à 4 % de ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

101

Figure 4.31: courbe contrainte/déformation à 7 % de ciment.

Figure 4.32 : courbe intrinsèque à 7 % de ciment

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

102

Figure 4.33: courbe contrainte/déformation à 10 % de ciment.

Figure 4.34: courbe intrinsèque à 10 % de ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

103

Interprétation des courbes :

Vis -à vis des essais de cisaillement le sol traité par l'ajout du ciment se comporte de façon similaire à celle qu'il a eu au traitement par la chaux.

La déformation diminue au fur et à mesure avec l'augmentation des contraintes

tangentielles (?).Nous notons la proportionnalité entre la cohésion (C) et le taux du ciment ajouté.

L'angle de frottement (0) : de 0 à 7% de ciment, l'angle de frottement croit jusqu'à 32,5°, valeur maximale atteinte à 7% de pourcentage de ciment.

Ce résultat est expliqué par le phénomène de floculation qui entraîne nécessairement une augmentation de la taille des pores.

Plus la quantité du ciment ajoutée est grande, plus la floculation est importante etla taille des pores augmente.

Les figures (4.35) et (4.36) présentent les courbes résumant les paramètres (C et 0) en fonction du pourcentage en ciment

Cohésion (Bars)

0.8

0.6

0.4

0.2

1.8

1.6

1.4

1.2

0

2

1

0 2 4 6 8 10

Teneur en ciment (%)

Figure 4.35: l'évolution de la cohésion (c).

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

angle de frottement( °)

35

30

25

20

15

10

0

5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Teneur en ciment (%)

104

Figure 4.36 : l'évolution de l'angle de frottement ( ?).

3.3. Gonflement :

Nous avons mesuré le potentiel de gonflement G et pression gonflement de Pg correspondant à chaque ajout de ciment.

Les résultats expérimentaux sont montrés dans les courbes suivantes :

Figure 4.37 : essai de gonflement libre à 2 % de ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

105

Figure 4.38 : courbe de pression de gonflement à 2% de ciment.

Figure 4.39 : essai de gonflement libre à 4 % de ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

106

Figure 4.40 : courbe de pression de gonflement à 4% de ciment.

Figure 4.41 : essai de gonflement libre à 7% de ciment.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

Figure 4.42 : courbe de pression de gonflement à 7 % de ciment.

Figure 4.43 : essai de gonflement libre à 10 % de ciment.

107

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

108

Figure 4.44 : courbe de pression de gonflement à 10 % de ciment.

Ces courbes montrent une réduction du potentiel de gonflement G avec une stabilisation plus rapide, elle a été atteinte de façon finale en moins de 24h pour tous les échantillons traités à différents pourcentage de ciment.ont atteindre la stabilité finale au temps moins de avec l'ajout de ciment, la réduction de la pression de gonflement est plus grande que celle enregistrée au traitement par la chaux.

Ces résultats nous les imputons à l'hydrations rapide du ciment qui à engendré une diminution de CEC (capacité d'échange cationique)et la floculation (modification des fractions argileuses)

Les figures (4.45) et (4.46) corroborent notre interprétation concernant les deux paramètres que sont le potentiel de gonflement et la stabilisation :

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

109

Figure 4.45 : Influence des ajouts sur le potentiel de gonflement.

Figure 4.46 : Influence des ajouts sur la pression de gonflement.

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

110

4. CONCLUSION :

Maintenant que nous sommes en possession d'une base de données, représentant le résultat de la campagne des essais de laboratoire que nous avons menée, concernant le traitement du sol gonflant de M'daourouch par les deux liants que sont la chaux et le ciment, nous allons présenter les points communs, et les points ou divergent ces derniers par rapport à ce qu'advient des propriétés physico-mécaniques du sol traité dans le contexte du processus de stabilisation.

Nous énumérons ces points comme suit :

? Seuil de stabilisation obtenu à 7% d'ajout pour les deux liants (chaux et ciment.

? Taux de stabilisation meilleur avec le ciment qu'avec la chaux.

Moins de temps pris pour la stabilisation par ajout de ciment.

Nous résumons les résultats que nous avons obtenus dans les deux tableaux suivants : - TRAITEMENT PAR LA CHAUX :

		0	2	4	7	10
Limite d'atterberg	Wl	47	44,24	42,76	41,38	38
	Wp	21,14	26,83	22,75	28,76	15,11
	Ip	25,87	17,77	20,01	12,76	23,89
Cisaillement	C(bars)	0,41	0,65	0,89	1,26	1,53
	Ø ( °)	12,4	21,13	26,57	34	29,6
Gonflement libre	G (%)	5,92	5,56	5,13	4,21	3,86
	Pg(bars)	1,53	1,40	1,34	1,23	1,09

CHAPITRE 4 INTERPRETATION DES RESULTATS

- TRAITEMENT PAR LE CIMENT :

		0		2	4	7	10
Limite d'atterberg	Wl	47		40,01	38,34	31,4	35,88
	Wp	21,14		25,3	24,26	22,7	28,25
	Ip	25,87		14,14	12,1	8,7	7,63
Cisaillement	C(bars)	0,41		0,76	1,14	1,31	1,76
	Ø ( °)	12,4		19,4	24	32,5	30,7
Gonflement libre	G (%)	5,92		5,38	4,89	3,65	3,13
	Pg(bars)	1,53		1,33	1,29	1,13	1,06
Légende : comportement prévu

111

comportement imprévu

112

CONCLUSION GENERALE

Nous concluons notre travail par cette analyse des résultats du traitement du sol gonflant que nous avons étudié, l'influence des deux liants que nous avons utilisés à savoir la chaux et le ciment sur ses propriétés physico-mécaniques, ce qui se traduit dans le contexte du processus de la stabilisation que nous avons entrepris par la méthode expérimentale directe , par l'atténuation de la tendance au gonflement du produit et l'amélioration des autres paramètres géotechniques qui en découlent.

Notre avis, si humble soit-il, sera aussi donné sur la préférence d'un liant à l'autre, en se basant sur les résultats que nous allons présenter, regroupés en trois rubriques principales, de la manière suivante :

? Gonflement libre :

Les deux paramètres qui le décrivent sont le Potentiel de gonflement (G) et la pression de gonflement(Pg), tous les deux ont présenté une cinétique similaire avec la chaux et avec le ciment, c'est-à-dire une tendance à la diminution.

La mesure optimale pour les deux liants est obtenue à 10 %, avec une supériorité pour le ciment.

? Cisaillement :

En dépit de la valeur optimale de l'angle de frottement (p°) obtenue par l'ajout de la chaux, qui est légèrement meilleure que celle obtenue avec le ciment, la cohésion (C) rend cet avantage obsolète, du fait de l'écart important enregistré pour les deux liants.

Les deux résultats représentent l'optimum obtenu à 10 % d'ajout pour les deux.

? Limites d'Atterberg :

Les limites relatives à cet essai sont la limite de liquidité (Wl), et la limite de plasticité (Wp), l'indice de plasticité (Ip) en résulte.

Selon nos prévisions, avec l'ajout de ciment on en obtient les meilleures valeurs qui soient.

A la lumière de ce qu'on vient de présenter, nous estimons que l'ajout de ciment pour améliorer les caractéristiques de notre sol gonflant et arriver à un stade acceptable de stabilisation est plus fructueux que l'ajout de la chaux.

LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 : Structure d'une couche tétraédrique.

Figure 1.2 : Structure d'une couche octaédrique.

Figure (1.3a) : Structure d'un feuillet de kaolinite.

Figure (1.3b) : Cristaux des particules de kaolinite vus au microscope électronique.

Figure (1.4a) : Structure d'un feuillet de smectites.

Figure (1.4b) : Cristaux des particules de smectite vus au microscope électronique.

Figure (1.5a) : Structure des minéraux de la famille des micas (l'illite).

Figure (1.5b) : Cristaux des particules de micas (l'illite) vus au microsc8ope électronique.

Figure (1.6a) : Structure des minéraux de la famille des chlorites.

Figure (1.6b) : Cristaux des particules des chlorites vus au microscope électronique.

Figure 1.7 : Arrangement des particules d'argile (Van Olphen, 1963).

Figure 1.8 : Schéma d'assemblages de particules (Collins et McGown, 1974).

Figure 1.9 : Gonflement et hydratation du matériau argileux.

Figure 1.10 : Courbe de gonflement en fonction du temps.

Figure 1.11 : Taux de gonflement en fonction du pourcentage de bentonite d'après Tabani

(1999).

Figure 1.12 : Influence de la densité sèche sur le gonflement (Sridharan et al. 1986).

Figure 1.13 : Influence de la teneur en eau initiale sur la pression de gonflement mesurée par

la méthode de gonflement libre (d'après Guiras-Skandaji, 1996).

Figure 1.14 : Evolution de la pression de gonflement au cours de l'humidification (Alonso et

al., 1999).

Figure 1.15: Cycle de succion a) d'après Chu & Mou (1973) b) d'après Dif&Bluemel (1991).

Figure 1.16 : Variations de volume d'une argile gonflante lors de cycles

d'humidification/dessiccation réalisés sous différentes charges verticales constantes (Alonso

et al, 1995).

Figure 1.17 : Classification proposée par Dakshanamurthy et Raman, (1973).

Figure 1.18 : Classification de Seed et al. (1962).

Figure 1.19 : La classification de Williams et Donaldson (1980).

Figure 1.20: Méthode de gonflement libre à l'appareil oedométrique et triaxial.

Figure 1.21 : Gonflement libre puis rechargement avant et après la consolidation primaire

(Guiras-Skandaji, 1996).

Figure 1.22 - Méthode de gonflement sous différentes charges à l'appareil oedométrique et

triaxial.

Figure 1.23 - Méthode de gonflement à volume constant.

Figure 2.1 : Traitement par Malaxage.

Figure 2.2 : Technique par injection (cas a, cas b) (Zenkhri ,2010).

Figure 2.3 : Stabilisation au ciment.

Figure 3.1 : étuve de laboratoire.

Figure 3.2 : limite de liquidité.

Figure 3.3 : limite de plasticité.

Figure 3.4 : classification de l'échantillon selon l'abaque de Casagrande.

Figure 3.5: courbe d'analyse granulométrie.

Figure 3.6 : courbe compactage d'argile non traité.

Figure 3.7 : principe de l'essai de cisaillement direct.

Figure (3.8a) : courbe Contrainte/Déformation.

Figure (3.8b) : courbe intrinsèque.

Figure 3.9 : Essai d'oedométrique.

Figure (3.10 a) : courbe de gonflement libre sous contrainte axiale : óN = 0,5 bar.

Figure (3.10 b) : courbe de gonflement libre sous contrainte axiale : óN = 0,75 bar.

Figure (3.10 c) : courbe de gonflement libre sous contrainte axiale : óN = 1,0 bar.

Figure (3.10 d) : courbe de gonflement libre

Figure 4.1 : Variation de la limite de liquidité en fonction de la teneur en chaux.

Figure 4.2 : Variation de `indice de plasticité en fonction de la teneur en chaux.

Figure 4.3 : variation le la limite de plasticité en fonction de teneur en chaux.

Figure 4.4 : classification des échantillons selon l'abaque CASAGRANDE.

Figure 4.5 : courbe contrainte/déformation à 2 % de chaux.

Figure 4.6 : courbe intrinsèque à 2% de chaux.

Figure 4.7 : courbe contrainte/déformation à 4 % de chaux.

Figure 4.8 : courbe intrinsèque à 4% de chaux.

Figure 4.9 : courbe contrainte/déformation à 7 % de chaux.

Figure 4.10 : courbe intrinsèque à 7% de chaux.

Figure 4.11 : courbe contrainte/déformation à 10 % de chaux.

Figure 4.12 : courbe intrinsèque à 10 % de chaux.

Figure 4.13 : l'évolution de la cohésion (c).

Figure 4.14 : l'évolution de l'angle de frottement ( ?).

Figure 4.15 : essai de gonflement libre à 2% de chaux.

Figure 4.16 : courbe de pression de gonflement à 2% de chaux.

Figure 4.17 : essai de gonflement libre à 4% de chaux.

Figure 4.18 : courbe de pression de gonflement à 4% de chaux.

Figure 4.19 : essai de gonflement libre à 7% de chaux.

Figure 4.20 : courbe de pression de gonflement à 7% de chaux.

Figure 4.21 : essai de gonflement libre à 10% de chaux.

Figure 4.22 : courbe de pression de gonflement à 10% de chaux.

Figure 4.23 : Variation de la limite de liquidité en fonction de la teneur en ciment.

Figure 4.24 : Variation de l'indice de plasticité en fonction de la teneur en ciment.

Figure 4.25 : Variation de la limite de plasticité en fonction de la teneur en ciment.

Figure 4.26: classification des échantillons selon l'abaque CASAGRANDE.

Figure 4.27: courbe contrainte/déformation à 2 % de ciment.

Figure 4.28: courbe intrinsèque à 2% de ciment.

Figure 4.29 : courbe contrainte/déformation à 4 % de ciment.

Figure 4.30: courbe intrinsèque à 4 % de ciment.

Figure 4.31: courbe contrainte/déformation à 7 % de ciment.

Figure 4.32 : courbe intrinsèque à 7 % de ciment.

Figure 4.33: courbe contrainte/déformation à 10 % de ciment.

Figure 4.34: courbe intrinsèque à 10 % de ciment.

Figure 4.35: l'évolution de la cohésion (c).

Figure 4.36 : Figure 4.36 : l'évolution de l'angle de frottement ( ?).

Figure 4.37 : essai de gonflement libre à 2 % de ciment.

Figure 4.38 : courbe de pression de gonflement à 2% de ciment.

Figure 4.39 : essai de gonflement libre à 4 % de ciment.

Figure 4.40 : courbe de pression de gonflement à 4% de ciment.

Figure 4.41 : essai de gonflement libre à 7% de ciment.

Figure 4.42 : courbe de pression de gonflement à 7 % de ciment.

Figure 4.43 : essai de gonflement libre à 10 % de ciment.

Figure 4.44 : courbe de pression de gonflement à 10 % de ciment.

Figure 4.45 : Influence des ajouts sur le potentiel de gonflement.

Figure 4.46 : Influence des ajouts sur la pression de gonflement.

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Occurrence des minéraux argileux dans les sols en fonction du climat.

Tableau 1.2 : Capacité d'échange de cations (CEC) de quelques minéraux.

Tableau 1.3 : Caractéristiques des minéraux du groupe des smectites.

Tableau 1.4 : Caractéristiques des minéraux du groupe des micas (l'illite).

Tableau 1.5 : Potentiel de gonflement d'après Altmeyer (1955).

Tableau 1.6 : Potentiel de gonflement d'après Seed, Woodward et Lungreen (1962).

Tableau 1.7 : Potentiel de gonflement d'après Ranganatham et Satyanarayana (1965).

Tableau 1.8 : Potentiel de gonflement d'après Snethen (1980).

Tableau 1.9 : Potentiel de gonflement d'après l'établissement de recherche bâtiment (1980).

Tableau 1.10 : Potentiel de gonflement d'après Ghen (1988).

Tableau 1.11 : Potentiel de gonflement d'après Holtz et Gibbs (1956).

Tableau 1.12 : Potentiel de gonflement d'après Holtz, Dakshanamurthy et Raman (1973).

Tableau 1.13 : Modèles d'estimation du taux de gonflement (åg) et de la pression de

gonflement (óg).

Tableau 2.1 : Récapitulatif des actions de la chaux.

Tableau 2.2 : Récapitulatif des actions du ciment.

Tableau 2.3 : Composition chimique en pourcentage des cendres volantes et du Ciment

Portland. (Chauvin et al, 1980; Lav et Kenny, 1997)

Tableau 3.1 : Etat du sol en fonction de l'indice de consistance (J.M.TCHOUANINANA

(1999).

Tableau 3.2 : Analyse chimique.

Tableau 3.3 : Récapitulatif des caractéristiques géotechnique d'échantillon.

Tableau 4.1 : Récapitulatif des limites d'ATTERBERG par l'ajout de la chaux.

Tableau 4.2 : Récapitulatif des résultats de cisaillement par l'ajout de la chaux.

Tableau 4.3 : Récapitulatif des résultats de gonflement par l'ajout de la chaux

Tableau 4.4 : Récapitulatif des limites d'ATTERBERG par l'ajout du ciment.

Tableau 4.5 : Récapitulatif des résultats de cisaillement par l'ajout du ciment.

LISTE DES SYMBOLES

CEC : la capacité d'échange cationique. Cg : Le coefficient de gonflants.

e : indice des vides.

E : le module de Young.

G : le taux de gonflement maximal pour un temps infini.

H : Hauteur

Hi : la hauteur initiale.

Hf : la hauteur finale.

IP : indice de plasticité.

IC : Indice de consistance.

IR : indice de retrait.

M_w : masse d'eau évaporée.

M_s : masse du matériau sec. Mh : masse du matériau humide. P : contraintes nettes appliquées. Pc : la pression capillaire.

Pg : pression de gonflement. S : la surface spécifique.

S : la pression interstitielle négative ou la succion.

Sr : Degré de saturation.

T : La température.

u : la pression interstitielle de l'eau des pores.

u_a : la pression de l'air dans le sol.

U_w : la pression interstitielle de l'eau dans le sol.

wi : teneur en eau initiale. W_n : Teneur en eau naturelle.

WL : limite de liquidité.

WP : limite de plasticité.

WR : limite de retrait.

W_s limite de retrait.

ó' : la contrainte effective.

óN : la Contrainte axiale .

(Ymax : la Contrainte maximale.

ó_g la pression de gonflement c_v : la déformation verticale. C_g le potentiel de gonflement. X : Coefficient de Bishop. ãd0 : densité sèche initiale. Cs : L'indice de gonflement. fl : Porosité.

ãd : Le poids volumique sec. G : potentiel de gonflement. p : l'angle de frottement.

C : la cohésion.

t : contrainte tangentielle.

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