Le renforcement des argiles gonflantes est analysé à travers l’utilisation de fibres de palmier pour stabiliser les sols d’Igana. Les résultats montrent une amélioration significative des propriétés géomécaniques, notamment la résistance en compression et en cisaillement, offrant des perspectives prometteuses pour la gestion des sols argileux.
CHAPITRE 1 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
Les argiles gonflantes, aussi appelées argiles expansives, représentent une catégorie de matériaux naturels aux propriétés variées et remarquables. Leur capacité à absorber et libérer de l’eau, ainsi que leur comportement de gonflement en présence d’humidité et de rétraction en période de sécheresse, leur confèrent une importance significative dans des domaines tels que la géotechnique, la construction et l’industrie chimique.
Au fil des années, la recherche sur ces argiles a été intensifiée pour mieux comprendre leurs comportements et leurs implications dans diverses applications. Une des approches les plus prometteuses pour améliorer les performances des argiles gonflantes est l’ajout de fibres. Cette technique vise à renforcer leurs caractéristiques mécaniques tout en modifiant leurs propriétés de gonflement et de retrait, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour optimiser la stabilité et la durabilité des structures sur sols argileux et pour créer des matériaux composites sur mesure.
Dans cette revue de littérature, nous examinerons les recherches récentes sur les argiles gonflantes et leur renforcement par fibres. Nous analyserons les mécanismes de renforcement, les méthodes d’incorporation des fibres, ainsi que les impacts sur les propriétés physico-chimiques et mécaniques des composites obtenus. De plus, nous étudierons les applications potentielles de ces matériaux dans des domaines tels que la construction routière, les fondations, les barrages et d’autres infrastructures essentielles. Enfin, nous mettrons en lumière les défis actuels et les opportunités de recherche futures dans ce domaine en pleine évolution.
Cette revue vise à offrir une synthèse complète et actualisée des avancées récentes dans le renforcement des argiles gonflantes par fibres, soulignant son importance pour l’ingénierie géotechnique et la construction durable.
Généralités sur la stabilisation des sols gonflants
En général, la stabilisation des sols est le processus de création ou l’amélioration de certaines propriétés désirées dans un matériau du sol de manière à le rendre stable et utile pour un but précis. Spécifiquement, (McNally, 1998) stipule que les améliorations dans les propriétés mécaniques causées par la stabilisation peuvent être les suivantes : augmentation de la résistance du sol (résistance au cisaillement), la rigidité (résistance à la déformation) et de durabilité (résistance à l’usure), la réduction du gonflement.
La stabilisation des sols est normalement employée quand il est plus économique pour surmonter un déficit dans les propriétés d’un matériau sur place que le fait d’apportera un autre matériau loin du site de construction dont les propriétés est conforme aux objectifs désirés. (TRAN Van Du, 2013). Par ailleurs, les sols généralement améliorés sont ceux ayant une grande plasticité (limon, argile) afin d’améliorer leurs caractéristiques géotechniques (DJAALALI Chérifa et HAOUAM Chihab, 2001).
Les agents stabilisants des sols sont principalement :
- Le gravier, granulats concassés, sable ;
- Le ciment Portland et ciment-mélange de laitier ;
- La chaux (chaux vive, chaux hydratée) et le gypse
- La chaux-pouzzolane (chaux plus cendres volantes ou le laitier) ;
- L’asphalte (bitume)
McNally1998 a étudié les mécanismes et applicabilités de divers agents stabilisants (tableau1) ainsi que les effets minéralogiques du sol sur sa réponse à la stabilisation
Techniques de stabilisations des sols gonflants
En géotechnique, plusieurs techniques sont utilisées pour améliorer les sols (Nahla Salim et al., 2018). Le concept de sol renforcé a été utilisé pour la première fois par Henri Vidal, dans le cadre de la technique de la Terre Armée qu’il a inventée et développée au début des années 60. Dès lors, plusieurs techniques ont été développées.
Dès lors, plusieurs techniques de stabilisation sont utilisées afin d’augmenter la résistance des sols expansifs et de minimiser la sensibilité du sol aux variations de la teneur en eau. Le choix de l’une de ces techniques 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. Les techniques les plus utilisées sont les suivants :
Substitution
Cette technique consiste à supprimer la couche du sol gonflant en excavant jusqu’ à une certaine profondeur, puis remblayer avec des sables ou autres matériaux graveleux. La mise en place du remblai peut en effet amortir une partie du soulèvement ultérieur et aussi une amélioration de l’homogénéité des teneurs en eau. Farid KAOUA et al (2013)
Compactage
Selon Jean-François SERRATRICE, (1995) le compactage confère à l’argile ses propriétés mécaniques de déformabilité et de résistance qui peuvent être reliées aux caractéristiques d’état représentées à la fois par la teneur en eau et l’indice des vides. Cependant (Seed ; 1961) a montré 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; même si de la côte humide, les argiles sont moins résistantes.
Préhumidification
Cette technique consiste à augmenter la teneur en eau de l’argile et ce jusqu’à la stabilisation du phénomène de gonflement. Ce qui permet de réduire les soulèvements ultérieurs d’un sol relativement sec. La performance de la teneur en eau artificiellement créée définira la réussite de cette technique. En effet, l’augmentation de la teneur en eau initiale diminue le potentiel de gonflement mais n’influe pas sur la pression de gonflement. Suite à ce constat a permis (F. H. Chen (1988) de conclure de l’inefficacité du procédé de pré humidification.
Stabilisation à la chaux
L’application de la chaux peut améliorer considérablement les propriétés mécaniques. Il y a essentiellement deux formes d’amélioration : la modification et la stabilisation. L’utilisation de la chaux peut modifier presque tous les sols à grain fin, dans une certaine mesure, mais l’amélioration la plus spectaculaire se produit dans les sols argileux de plasticité modérée à élever.
La modification survient principalement en raison de l’échange de cations calcium apportés par la chaux éteinte et des cations normalement présents absorbés à la surface de l’argile. La modification découle aussi de la réaction de la chaux éteinte avec la surface argileuse dans un environnement au pH élevé ; la minéralogie de la surface argileuse est altérée lorsqu’elle réagit avec les ions de calcium pour former des produits cimentaires.
Il en résulte une réduction de la plasticité et du gonflement ainsi que de la capacité de rétention de l’humidité, et une plus grande stabilité.
Néanmoins, avec la chaux, il existe un dosage idéal pour chaque type de terre. L’efficacité de la stabilisation des argiles avec la chaux est difficile à prédire. L’ajout de 2 à 3 % de chaux provoque immédiatement une diminution de la plasticité de la terre et un braisage des mottes.
La chaux doit être mise en œuvre avec une argile finement broyée afin d’être plus efficace. De plus, un temps de retenue de minimum deux heures (8 à 16 heures étant préférables) est exigé pour permettre à la chaux de réagir avec la terre (CRATerre-EAG, 1995 ; Agridoc, 2004). Pour des stabilisations ordinaires, on pratique en général des dosages de 6 à 12 %.
Toubeau (1987) a analysé l’influence de la minéralogie de l’argile, à travers la réalisation d’éprouvettes traitées à la chaux et compressées. Ainsi, il a suivi l’évolution des réactions sol-chaux, d’une part sous un aspect mécanique et d’autre part, sous un aspect minéralogique et chimique. Cette étude, lui a permis de faire un classement par ordre décroissant : kaolinite, > illite, > smectite.
Les résistances mécaniques générales s’améliorent significativement avec l’augmentation de la proportion de chaux. La stabilisation à la chaux hydraulique est comparable à la stabilisation au ciment Portland, que cela soit au niveau de leur comportement, de leurs caractéristiques ou de leur façon de travailler (GATE, 1994). Le carbure de calcium résiduel est surtout conseillé pour les sols contenant une fraction argileuse de 20 % et les sols ayant IP> 17 et LL> 40. (Doctor E.A Adam et all 2001).
En pratique, on observe normalement que, les limites de liquidité, la densité sèche, le potentiel de gonflement diminuent, tandis que les limite de plasticité, la teneur en eau optimale Proctor et les valeurs CBR augmentent à court-terme (Eades and Grim, 1960) ; Bell, 1989; (Locat et al., 1990; Bell, 1996). De plus, la courbe Proctor devient plus plate que celle du sol non-traité.
Ces résultats obtenus dans le laboratoire expliquent en réalité qu’un sol fin et humide traité à la chaux passe d’un état plastique à un état solide, friable, facilement travaillable et perd une partie de sa sensibilité à l’eau. TRAN-van, (2013). L’étude de Deneele et al. (2009) à l’aide de la Microscopie Electronique à Balayage (MEB) ont éclairé les processus physicochimiques dans un sol limono-argileux traité à la chaux.
Selon leur observation, un sol limono-argileux naturel comprend des particules élémentaires qui recouvertes par des minéraux argileux agglomérés. L’ajout de la chaux dans le sol induit une modification de la microstructure à long terme. Après 28 jours de traitement, ce ne sont plus les particules argileuses qui connectent les grains mais les fydrates qui se propagent à la surface des grains.
La stabilisation à moyen et à long termes conduit à la modification de la microstructure, et l’augmentation des performances mécaniques des sols traités. (Thi Thanh Hang Nguyen, 2015).
[img_1]
Source : Deneele, et al ; 2009
Cimpelli C., Kergoet M. (1974) a montré que l’excès de chaux (6%) provoque un freinage des limons. C’est à dire que la granulométrie des grumeaux s’enrichit en fines par rapport à celle obtenue par un traitement avec seulement 2% de chaux.
- ABDELMOUMEN ALLA EDDIN DRISS et al., (2018) ont étudié l’effet de la chaux sur la stabilisation des propriétés géotechniques d’un sol argileux. Cette étude a montré que la densité sèche maximale des sols stabilisés à la chaux diminue avec l’augmentation de la teneur en chaux. D’autre part, la teneur en eau optimale des sols stabilisés à la chaux a augmenté avec l’augmentation de la teneur en chaux.
- L’augmentation de la résistance à la compression non confinée basé sur le pourcentage d’ajout de la chaux et sur l’augmentation de la période de durcissement qui se compose à des réactions de court et long terme.
- Farid KAOU et al. (1994), leur étude sur la stabilisation des sols gonflants par ajout de sable, a montré que cette technique justifie expérimentalement la relation entre, d’une part, la limite de liquidité et la pression de gonflement, et d’autre part, l’indice de plasticité et la pression de gonflement. En effet, les deux varient dans le même sens.
- TRAN Van Du (2013), quant ’à lui, il a mené une étude sur un sol argileux, de la ville de Soignies, Belgique. Cette étude a révélé que la chaux est inefficace pour améliorer l’argile à court terme ; elle augmente la teneur en eau optimale et diminue le poids volumique sec maximal. Elle augmente aussi les valeurs d’IPI après le traitement.
Par ailleurs, la stabilisation des sols argileux par la chaux est contrôlée par quatre réactions (Zouhair ATTIMA et al. 2014) :
Echange cationique
La dissolution de la chaux dans un sol argileux hydraté libère des cations de calcium Ca2+ et des hydroxyles (OH)-. Les cations sont instantanément adsorbés et intercalés dans l’espace interfoliaire des smectites (structure TOT) et remplacent les différents cations inter-foliaires existants. Cet échange induit des forces attractives entre les feuillets d’argile et réduit la double couche d’eau diffuse (Arabi et Wild, 1989). Cette réaction instantanée se poursuit avec l’addition de la chaux jusqu’à la saturation complète des argiles en calcium.
Floculation et agglomération
Cet échange cationique entraine une modification de la densité de la charge électrique superficielle des particules argileuses et par conséquent les couches d’eau interfoliaires disparaissent (Diamond et Kinter, 1965; Bel, 1996; Khattab et al. 2002 ; Cabane, 2004).
Cette floculation – agglomération change la texture de l’argile et améliore la consistance des sols argileux traités.
Réaction pouzzolanique
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 et 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 (CSH), hydrate d’aluminate calcique (CAH) et hydrate alumino-silicate calcique (CASH) (Clara et Handy, 1963; Eades et Grim, 1966; Bel, 1996; Locat et al, 1996), (Cabane, 2004).
Carbonatation (formation de la calcite)
La chaux réagit avec le CO2 atmosphérique pour former des carbonates tels que CaCO3, MgCO3 selon le type de chaux utilisée. 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 (Diamond et Kinter, 1965; Khattab, 2002; Cabane, 2004)
La stabilisation au ciment
Aujourd’hui, la stabilisation au ciment est un procédé reconnu, qui, à de nombreux endroits, évite d’avoir à remplacer le sol en place par de la précieuse grave. D’autant plus qu’en principe, tous les sols peuvent être stabilisés au ciment, à l’exception toutefois de ceux composés de sable limoneux, ou purement de limon, qu’il vaut mieux stabiliser avec une combinaison de ciment et de chaux aérienne («Stabilité»).
Lorsqu’un sol contient plus de 10 % d’argile, il faut préférer une stabilisation à la chaux aérienne à une stabilisation au ciment (Hermann, Kurt et al. 2022). La stabilisation au ciment s’utilise aussi bien pour la superstructure que pour l’infrastructure et autres travaux de terrassement, particulièrement lorsqu’il est prévisible que les couches mises en place seront soumises à de fortes sollicitations.
[img_2]
Source : cabane ; 2004
[img_3]
Source : N.Cabane ; 2004