Impact du type de sol, du dosage en ciment et de la teneur

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Submitted on 13 Jan 2021

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Impact du type de sol, du dosage en ciment et de lateneur en eau sur les propriétés mécaniques et la

porosité des matériaux traités au ciment.Alain Le Kouby, Myriam Duc, Fabien Szymkiewicz, Si Shen

To cite this version:Alain Le Kouby, Myriam Duc, Fabien Szymkiewicz, Si Shen. Impact du type de sol, du dosage enciment et de la teneur en eau sur les propriétés mécaniques et la porosité des matériaux traités auciment.. 9emes Journées Nationales de Géotechniques et de Géologie de l'Ingénieur, JNGG2018, Jun 2018, CHAMPS SUR MARNE, France. 8 p., photos, graph., bibliogr. �hal-03109054�

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur – Champs-sur-Marne 2018

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IMPACT DU TYPE DE SOL, DU DOSAGE EN CIMENT ET DE LA TENEUR EN EAU SUR LES PROPRIETES MECANIQUES ET LA POROSITE DES MATERIAUX TRAITES AU CIMENT.

IMPACT OF SOIL TYPE, CEMENT CONTENT, WATER CONTENT ON MECHANICAL AND POROSITY PROPERTIES ON CEMENT TREATED MATERIALS.

Alain LE KOUBY 1, Myriam DUC 1, Fabien SZYMKIEWICZ 1, Si SHEN 1 1 IFSTTAR, 14-20 boulevard Newton, 77447 Champs-sur-Marne - Marne-la-Vallée cedex

RÉSUMÉ – Les propriétés du matériau soil-mixing ont été étudiées au travers d’essais sur des mélanges argile-ciment, à différents dosages en ciment et à différentes teneurs en eau. Leurs performances mécaniques sont mises en regard de leurs caractéristiques physico-chimiques pour expliquer leur variation et ainsi mieux comprendre le comportement des sols naturels traités par la technique du soil-mixing.

ABSTRACT – The mechanical properties of the deep mixing material were assesses by testing clay-cement materials, treated at different cement and water contents. Strength parameters were confronted to their physico-chemical and microstructural characteristics in order to explain the variations of the mechanical properties and better understand the behaviour of natural soils treated with the technique of deep soil-mixing.

1. Introduction Le Soil-Mixing est une méthode qui consiste à utiliser le sol déjà en place sur le site d’un chantier pour réaliser des ouvrages géotechniques par le biais d’un mélange mécanique avec un liant, ici du ciment. Ses aspects économiques et écologiques (peu de déblais) ont rendu cette méthode attrayante. Toutefois avec la diversification du type d’ouvrages réalisés, de nouvelles exigences concernant le matériau ont été formulées. Les matériaux de digues ont des minéralogies complexes. De nature sablo-limoneux avec la présence d’argile, on observe que de nombreux ouvrages comporte de l’illite que l’on trouve en abondance parmi les argiles accompagné de chlorite, de kaolinite voire de montmorillonite (argile gonflante). La nature minéralogique est un élément à prendre en compte pour évaluer les performances mécaniques que va atteindre ou non l’ouvrage renforcé par la méthode du deep soil mixing (Unikowski, 1982 et Szymkiewicz et al, 2012). Elle a également une influence sur la microstructure des zones renforcées (Le Kouby et al., 2016), de même que la teneur en eau initiale du mélange (Szymkiewicz et al, 2013) ou la méthode de malaxage. Si la kaolinite est souvent choisie comme matériau fin modèle, l’illite généralement présente dans les sols et son mélange avec un ciment est plus rarement étudiée. Dans ce papier, une étude comparative entre le traitement au ciment d’un matériau argileux de type illite et un autre de type kaolinite est présentée. Les paramètres tels que la résistance mécanique et la porosité sont analysés.

2. Matériaux étudiés et programme expérimental

2.1. Origine et propriétés des matériaux argileux testés Plusieurs matériaux argileux ont été sélectionnés pour simuler des sols argileux et montrer l’influence de la nature minéralogique du sol sur le matériau Soil-Mixing. Nous avons sélectionné la kaolinite Armoricaine de type Sialite (Société Kaolinière Armoricaine)


2

et l’illite Arvel (argile verte, Société Argile du Velay). Les matériaux contiennent environ 75-80 % de kaolinite et d’illite respectivement, avec présence de quartz, de calcite ou d’autres argiles. Le Tableau 1 rassemble les limites d’Atterberg des deux matériaux étudiés. Le Tableau 1 présente également les mélanges sols-ciment réalisés.

Tableau 1. Propriétés des sols utilisés et des mélanges réalisés

Type de sol LL, PL Densité

en kg/m3 Teneur en

ciment en kg/m3 W % (C/E)

Kaolinite armoricaine

40, N/A 1200 140 170 210

40 (0,26), 50 (0.21), 60 (0.17), 70 (0.15) 58 (0.21)

64 (0.23), 70 (0.21)

Illite Arvel 57, 31 1200 140 170 210

55 (0,19), 68 (0,15), 80 (0,13) 68 (0,18) 68 (0,22)

*Sable de Fontainebleau

- 1648 140 210

19 (0,41) 19 (0,6)

*Seulement pour les essais de porosité

2.2. Liant Le liant utilisé pour les mélanges est un ciment au laitier fabriqué par Calcia (usine de Rombas) contenant 85% de laitier de haut fourneau et 15% de clinker (Classification européenne : CEM III/C 32.5 N CE PM-ES NF « HRC »). Il est assez lent de prise (4 heures de prise après hydratation).

2.3. La réalisation des mélanges La procédure est celle proposée par Szymkiewicz et al (2012). Le matériau est séché au préalable. La quantité de matériau pour réaliser une série d’éprouvettes est disposée dans un malaxeur à pale (Figure 1).

(a) (b) (c) (d)

Figure 1 Procédure de mélange : (a) mélange du sol avec le ciment, (b) pendant la réalisation du

mélange, (c) conditions de cure et (d) dispositif d’essai mécanique (Rc) (NF EN 13286-41)

Le ciment est ensuite ajouté sous forme de poudre (à sec) dans la proportion souhaitée, puis l’eau est introduite. Le malaxeur tourne ensuite pendant 10 min. Un couvercle empêche les projections tout en protégeant l’opérateur des lames, cependant une ouverture dans ce couvercle permet à l’opérateur d’améliorer la qualité du mélange en remuant la préparation avec une spatule. Le mélange est ensuite moulé dans des tubes cylindriques en plastique (h= 110 mm, d = 52 mm). Ils sont remplis en trois fois avec battage manuel afin d’éliminer les bulles d’air Les éprouvettes sont ensuite conservées dans une double enveloppe hermétique (un papier imbibé d’eau est introduit entre les


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deux sachets plastiques afin de garantir une cure dans des conditions endogènes). La Figure 1 illustre ces étapes.

La teneur en eau initiale est ajustée en fonction de la nature du sol et de la quantité de ciment, de manière à obtenir un matériau ouvrable, c’est-à-dire avec une teneur en eau supérieure à sa limite de liquidité (Szymkiewicz et al., 2013). La masse d’eau ajoutée correspond à m eau = wL x (masse de sol sec + masse de ciment ajoutée au mélange).

Les temps de cure testés pour les essais macroscopiques sont de 7, 14, 28, 56, 90 alors que le temps de cure de 28 jours a été choisi pour étudier les propriétés physico-chimiques.

2.4. Démarche expérimentale La résistance à la compression simple Rc (Figure 1 (d)) est évaluée dans le but de caractériser la performance mécanique du matériau sol – ciment.

Du point de vue microstructural, les matériaux soil-mixing sont lyophilisés (après trempe dans de l’azote liquide) après l’essai de compression simple (on suppose que la déformation des pores est minime avant et après l’essai mécanique). La minéralogie a été étudiée par diffraction à rayons X puis comparée au matériau initial avant mélange. La microstructure des échantillons a été testée par porosimétrie par intrusion de mercure (MIP). Les échantillons ont aussi été observés au microscope électronique à balayage (MEB).

3. Résultats expérimentaux 3.1. Résultats mécaniques

3.1.1. Effets du temps Les résultats montrent que la résistance à la compression augmente avec la durée de cure pour l’ensemble des échantillons comme on peut s’y attendre avec un liant hydraulique.

a b Figure 2. Evolution de la résistance à la compression simple en fonction du temps des mélanges à

base d’illite (a) et de kaolinite (b).

La valeur de résistance à 28 jours (souvent prise comme référence dans le domaine des bétons) n’est toutefois pas la valeur ultime dans la majorité des cas. Pour certaines courbes la résistance a même doublé voire plus entre 28 et 90 jours (soit +107% pour le mélange IA C140 W80 par exemple) (Figures 2a et 2b). La résistance à 28 jours est donc loin d’être la valeur finale atteinte en en ce qui concerne les performances.

3.1.2 Effets du dosage en ciment et de la teneur en eau initiale

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 20 40 60 80 100

Rc (M

Pa)

Temps (jours)

IA_C140_W68 IA_C140_W80

IA_C170_W68 IA_C210_W68

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 20 40 60 80 100

Rc

(MPa

)

Temps (jours)

KaoA_C170_W58KaoA_C140_W70KaoA_C210_W70KaoA_C140_W60


4

On remarque également que les vitesses d’augmentation de résistance à jeune âge dépendent à la fois du dosage en ciment et de la teneur initiale du mélange, ce qui revient à dire que le rapport C/E joue un rôle prépondérant dans le développement de la résistance, ainsi que sur sa valeur à tout âge (Figures 3a et 3b). Ces résultats sont en adéquation avec ceux présentés par des auteurs précédents, et sur d’autres sols (Bergado et Lorenzo, 2005 et Szymkiewicz et al, 2012).

a b Figure 3. Evolution du développement de la résistance à la compression simple entre 7 jours et 28 jours pour une illite traitée, à teneur en eau initiale constante, en fonction du dosage en ciment (a) et évolution de la résistance, à dosage en ciment constant, d’une kaolinite traitée en fonction de la

teneur en eau initiale du mélange (b).

Figure 4. Résistance à la compression simple en fonction du rapport C/E pour la kaolinite et l’illite.

De plus, on remarque également que la minéralogie des argiles traitées est un facteur important qui gouverne la résistance du matériau : à C/E égal, la kaolinite est toujours moins résistante que l’illite (Figure 4). La relation Rc – C/E est de forme linéaire, néanmoins, la dispersion observée est due à l’existence, pour chaque sol et chaque dosage en ciment, d’un optimum de teneur en eau (Szymkiewicz et al., 2013). La relation serait parfaitement linéaire si tous les mélanges avaient été réalisés avec cet optimum.

3.2. Résultats physico-chimiques Afin d’expliquer les résultats présentés précédemment, des analyses physico-chimiques ont été réalisées sur les différents matériaux, à savoir de la diffraction de rayons X (DRX), de la porosimétrie au mercure (PIM), et des observations au MEB. Les résultats des analyses DRX ne permettent pas de comprendre les résultats mécaniques : en effet, les diffractogrammes associés au matériau argileux initial et au

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

5

0 50 100 150 200 250

Rc28

/ Rc

7

C (kg/m3)

w = 68 %

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 20 40 60 80

Rc (M

Pa)

w (%)

28 jours

7 jours

C = 140 kg/m3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Rc (M

Pa)

C/E

kaolinite Armoricaine

illite Arvel


5

matériau soil-mixing associé sont quasiment les mêmes, et aucune phase cimentaire cristalline n’est détectée après 28 jours. Plus surprenant, aucune évolution de la part amorphe du matériau n’est mise en évidence avec l’absence d’une large bosse au niveau de la ligne de la base des diffractogrammes. Cela est sans doute en partie du aux faibles dosages en ciment des matériaux.

Les analyses MEB et PIM permettent en revanche de mieux comprendre les résultats obtenus. Les courbes de porosité cumulée des matériaux à base de kaolinite et d’illite sont présentées sur les Figures 5 et 6.

Figure 5. Courbes de distribution des tailles de pores et porosité cumulée (en encart)

des mélanges à base de kaolinite

Figure 6. Porosité cumulée et en encart courbes de distribution des tailles de pores

des mélanges à base d’illite.

0

0,5

1

1,5

2

10100100010000Tai lle de pore (nm)

dV/d

logD

(mL/

nm/g

)

KaoA C140 W60 28j

KaoA C140 W60 9 moi s

KaoA C140 W70 28j

KaoA C170 W58 28j

KaoA C210 W64 28j

KaoA C210 W70 28j

0

10

20

30

40

50

60

70

1101001000100001000001000000

Taille de pores (nm)

Poro

sité

cum

ulée

(%)

IA C210 W68 28j

IA C170 W68 28j

IA C140 W68 28j

IA C140 W70 28j

IA C140 W55 28j

IA C140 W55 90j

0

10

20

30

40

50

60

110100100010000

Poro

sité

cu

mu

lée

(%)

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

110100100010000

dV/d

logD

(mL/

nm/g

)


6

(a) (b)

Figure 7. Porosité cumulée (a) et courbes de distribution des tailles de pores (b) de mélanges à base de sable de Fontainebleau et de ciment pur.

On remarque très clairement que la porosité cumulée de tous les mélanges est de l’ordre de 55-65% pour les matériaux traités, et ceux quel que soit le dosage la nature de l’argile, le dosage en ciment, et la teneur en eau initiale du mélange. Au premier abord, on pourrait donc penser que cette analyse apporte peu d’informations. Cependant, si on regarde les courbes plus en détail, on observe pour les mélanges à base d’illite, un classement des courbes en fonction du dosage en ciment d’une part et du temps de cure d’autre part. En effet, les mélanges présentent une porosité cumulée plus faibles lorsque le dosage en ciment est plus grand, à teneur en eau égale. De même, la porosité cumulée diminue avec le temps de cure. Ces résultats semblent logiques car on s’attend en effet à ce que la formation de C-S-H soit plus importante lorsque le dosage est plus élevé, ou le temps d’hydratation plus long.

En revanche, ces observations ne sont pas valables pour les mélanges à base de kaolinite. Cela est certainement dû à l’écrantage physique joué par les particules de kaolinite (grains d’argile plus petits que ceux du ciment l’enrobent en formant un écran entre particules et ciment). En effet, la kaolinite, grâce à son potentiel de dispersion élevé, est intimement mélangée au ciment. On peut observer ce phénomène sur la Figure 8. Les plaquettes de kaolinite s’intercalent entre les grains de ciment et empêchent les gels de C-S-H et les cristaux d’ettringite de créer une matrice continue et résistante. Il résulte de cela que la formation des nanopores, typiques des matériaux cimentaires (Figure 7b), est très inhibée dans les matériaux à bases de kaolinite. Au contraire, on observe que la taille prépondérante des pores formés dans le matériau kaolinitique est de l’ordre de 500 à 600 µm (Figure 5). La taille de ces pores est toutefois dépendante du dosage en ciment et de la teneur en eau initiale du mélange. Le temps de cure ne semble pas avoir d’impact sur la distribution des tailles de pores.

La distribution des tailles de pores des mélanges à base d’illite (Figure 6) est quant à elle plus caractéristique d’un matériau cimentaire. On observe sur les images MEB de la Figure 9 que des agrégats d'illite sont toujours présents, à cause du faible potentiel de dispersion de cette argile. On observe sur la Figure 8 un comportement différent avec la kaolinite qui se disperse de manière plus homogène dans le milieu cimentaire. Le ciment peut donc s’intercaler entre les inclusions d'argile illitique en formant des zones homogènes de pate cimentaire d’épaisseur plus importante, ce qui crée une résistance mécanique plus grande.

Enfin, la porosité cumulée d’un mélange argile-ciment (Figure 7a) est quasiment deux fois plus élevée que celle d’une pate cimentaire ou d’un mélange sable-ciment. La

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1100100001000000tai lle de pores (nm)

Poro

sité

cum

ulée

(%)

SF C210 W19 7jSF C210 W19 28jSF C140 W19 9 mois CEMII I 28J

0

0,1

0,2

0,3

110100100010000100000tail le de pore (nm)

dV/d

logD

(mL/

nm/g

) SF C210 W19 7jSF C210 W19 28jSF C140 W19 9 moi s CEMIII 28J


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distribution de taille de pores doit être couplée à la porosité totale pour expliquer le comportement des mélanges argiles/ciment.

Figure 8. Observations au MEB d’un mélange kaolinite-ciment, dosé à 140 kg/m3 et avec une teneur en eau initiale de 60 %, après 9 mois de cure

Figure 9. Vues au MEB d’un mélange illite-ciment, dosé à 140 kg/m3 et avec une teneur en eau initiale de 55 %, après 3 mois de cure

200 µm 50 µm

200 µm

50 µm

200 µm

Grain de ciment

Matrice ciment

Agrégat argile ou quartz

Agrégats d’argile ou quartz

Argile dispersée dans la matrice cimentaire


8

4. Conclusions et perspectives Les conclusions de cette étude sont les suivantes :

- La minéralogie des particules fines contenues dans un sol traité au ciment a une influence sur les performances du matériau soil-mixing créé à partir de ce sol : les sols dont la fraction fine est constituée de kaolinite présentent une plus faible résistance, à C/E égal, que des sols dont la fraction fine est majoritairement constituée d’illite;

- La porosité totale des matériaux soil-mixing testés semble dépendre peu de la minéralogie des argiles constitutives du sol, mais dépend en revanche du temps de cure et dans une moindre mesure pour l’illite de la teneur eau et du dosage en ciment du mélange ;

- La taille des pores présents dans le matériau dépend de la capacité des argiles à se disperser dans le milieu cimentaire, qui est reliée à la nature minéralogique des argiles constitutives du sol, et également du temps de cure, de la teneur eau et du dosage en ciment du mélange ;

- La diffractométrie de rayons X ne permet pas de mettre en évidence la prise cimentaire, contrairement à la porosimétrie au mercure (sur l’illite notamment) qui montre la formation des CSH, que l’on corrèle à la résistance du matériau soil-mixing à base d’illite par rapport à celui à base de kaolinite ;

L’approche mico-macro appliquée dans cette étude est une voie d’amélioration de la compréhension du matériau soil-mixing. Si les performances mécaniques sont très étudiées, la durabilité de ce matériau est encore très peu connue. L’utilisation des courbes de distribution des tailles de pores ont été utilisés pour expliquer les résistances obtenues. Elles devraient également aider à estimer le potentiel de durabilité du matériau.

5. Références bibliographiques AFNOR (2003). Mélanges traités et mélanges non traités aux liants hydrauliques – Partie

41 : méthode d’essai pour la détermination de la résistance à la compression des mélanges traités aux liants hydrauliques. NF EN 13286-41. Association Française de Normalisation.

Bergado, D.T., and Lorenzo, G.A. 2005. Economical mixing method for cement deep mixing. In Proceedings of Geo-Frontiers 2005 Innovations in Grouting and Soil Improvement.

Le Kouby, A., Duc, M., Marino-Paredes, J., Fanelli, S. (2016). Approche multi-échelle du traitement des argiles par la méthode du deep soil mixing. Actes des JNGG 2016, pp. 205-212, Nancy.

Szymkiewicz, F. Tamga, F. S., Le Kouby, A., Reiffsteck, P. (2013). Optimization of the strength and homogeneity of the Deep Mixing material by means of the determination of the workability limit and optimum water content. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 50, pp. 1034 – 1043.

Szymkiewicz, F., Guimond Barrett, A., Le Kouby, A., Reiffsteck, P. (2012). Influence of grain size distribution and cement content on the strength and aging of treated sandy soils. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2012, 1–21.

Unikowski, Z. (1982). Influence des argiles sur les propriétés des mortiers de ciment. Rapports de recherche des Laboratoires des Ponts et Chaussées.

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