Soutenance mémoire
DEFINITION DES ARGILES
Il n‟existe pas de définition unique du terme “argile”. Le mot “argile” englobe deux connotations, l‟une liée à la taille des grains solides et l‟autre à la minéralogie. La définition dépend de la discipline concernée. Le géologue ou le pédologue considèrent comme “ argile ” tout minéral de faible granulométrie, la limite étant fixée à 2 ou 4 microns selon les cas. Les ingénieurs s‟attachent plutôt aux propriétés de plasticité des matériaux argileux quel que soit leur taille. Les céramistes regroupent les matériaux selon leur comportement au chauffage. Sous cette appellation générique se cache donc une grande variété de matériaux, dont le point commun est de posséder des minéraux argileux, qui sont eux 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 a fait ranger dans la famille des phyllo silicates. Selon la 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 μm ; ces dimensions sont caractéristiques des particules argileuses et ne se retrouvent pas dans d‟autres minéraux.En fait, le terme « argile » a un double sens : il 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,la fraction argileuse d‟un sol est définie comme étant la teneur en particules de moins de 2 à 4 μm 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). Les argiles sont souvent perçues comme des matériaux tendres. Tel n‟est pas toujours le cas : il existe beaucoup de sites d‟argiles dites « raides de par leur constitution à base de particules très fines, certaines argiles, sont très peu perméables (parfois qualifiées d‟imperméables par les hydrogéologues). Plusieurs argiles sont plastiques ou présentent un comportement viscoplastique, ce qui permet de penser à une cicatrisation possible des éventuelles fissures engendrées au champ proche des ouvrages. En outre, en raison de leur caractère hydrophile, de leur structure et de leur texture, certains matériaux argileux sont qualifiés de « gonflants » car, au simple contact avec de l‟eau, leur volume peut augmenter sensiblement. En revanche, à l‟opposé du gonflement et en raison d‟une perte d‟eau, les argiles exhibent selon les cas, des diminutions de volume (phénomène de retrait du matériau) à l‟origine d‟apparition des fissurations.
Microstructure des argiles
Les argiles proviennent de l‟altération et de la dégradation des roches : altération physique sous l‟effet des variations de température, et surtout altération chimique au contact de l‟eau qui permet la dégradation en particules très fines. Les conditions dans lesquelles cette dégradation a eu lieu, ainsi que l‟état d‟avancement de cette dégradation peuvent expliquer la grande diversité des argiles (Jackson & Sherman 1953, cités par Jérôme Gaombalet, 2004). De par leur origine détritique et leur nature granulaire, la structure des sédiments argileux est complexe; la compréhension des mécanismes de déformation de ces matériaux, dans lesquels la chimie de l‟eau tient une place prépondérante, passe nécessairement par la connaissance précise de la microstructure. Terminologie : Avant d‟entrer dans les détails de la minéralogie des argiles, il semble utile de rappeler la terminologie associée pour éviter toute confusion : un terme donné est parfois utilisé pour désigner plusieurs niveaux structuraux différents, et deux termes différents sont parfois employés pour désigner le même niveau. La cellule de base (unit cell, en anglais) des minéraux argileux est appelée cristallite. Elle est constituée d‟un feuillet (layer) et d‟un interfeuillet (interlayer) appelé aussi espace interfoliaire. Chaque feuillet est lui-même formé de la superposition de deux ou trois couches (sheets) cristallisées (c‟est-à-dire dans lesquelles les atomes, solides à température ordinaire, sont régulièrement distribués). L‟interfeuillet est constitué d‟eau assurant une liaison électrochimique entre les feuillets. Il existe différents types de liaisons interfeuillets, liées notamment à des phénomènes de substitutions isomorphiques à la surface des cristallites. Une particule d‟argile résulte de l‟empilement face-à-face de quelques cristallites élémentaires ; elle n‟est formée parfois que d‟un seul cristallite (d‟ailleurs, en anglais, le terme particle désigne bien souvent le cristallite lui-même). Il arrive aussi que le terme cristallite soit lui-même employé pour désigner un empilement de plusieurs feuillets, qualifiés dans cette étude de particule. Ces cristallites peuvent s‟assembler de manières très diverses. Des différentes possibilités d‟empilement des couches dans les feuillets, de substitutions isomorphiques, de liaisons interfeuillets et enfin d‟arrangement spatial des cristallites résulte la grande diversité de structures et de propriétés des argiles.
Propriétés mécaniques et caractéristiques des argiles
Les roches argileuses présentent toujours, à des degrés divers, les comportements suivants : plasticité, viscoplasticité, endommagement. Du moins les essais mettent-ils en évidence des déformations irréversibles et, par suite, des comportements souvent décrits par ces termes. Du point de vue du comportement à court terme, il est souvent difficile de juger s‟il s‟agit de plasticité ou d‟endommagement. Les deux théories permettent en général de décrire les phénomènes observés, et le choix de l‟une ou de l‟autre dépend souvent de l‟emploi à faire des lois ainsi mises en place. Ainsi, bien souvent, c‟est la plasticité qui prime dans les lois utilisées au niveau des calculs d‟ouvrages. Pour les argiles raides, il s‟agit plutôt d‟endommagement dans la mesure où :
• les essais rapides de laboratoire mettent généralement en évidence une augmentation de volume irréversible, signe pour les roches de l‟apparition d‟un endommagement diffus ;
• les déformations irréversibles s‟accompagnent souvent d‟une perte de résistance et des propriétés élastiques (mais tel n‟est pas toujours le cas pour les argiles raides) ;
• des chargements plus marqués conduisent à la rupture, qualifiée plus facilement d‟endommagement que de plasticité.
En fait, les mécanismes microscopiques qui se traduisent par les déformations irréversibles ne sont pas toujours bien compris pour les roches, et le choix de la bonne théorie à appliquer est délicat. Il est en général difficile de juger, entre plasticité et endommagement, quel phénomène est effectivement le bon. Ces phénomènes sont parfois couplés dans les modèles rhéologiques. Parfois aussi, l‟endommagement est décrit en utilisant le formalisme de la plasticité. Par ailleurs, pratiquement toutes les roches argileuses présentent un comportement différé irréversible. Ce comportement est très marqué pour des argiles plastiques, nettement moins pour des argiles raides. Du fait de l‟existence de déformations résiduelles après décharge, il ne s‟agit pas (du moins pas seulement) de viscoélasticité, mais plutôt de viscoplasticité. Cette viscoplasticité ne doit pas non plus être confondue avec la consolidation ou le comportement différé lié à la dissipation de la pression interstielle.
STABILISATION DES SOLS
La stabilisation des sols, dans son sens général, considère toutes les techniques physiques, chimiques ou physico-chimiques utilisées pour améliorer les propriétés d‟un sol en vue de son utilisation dans la construction (Ashish Kumar Pathak, 2014). En géotechnique routière, la stabilisation des sols est un processus réglementé utilisé pour l‟amélioration des caractéristiques physiques et mécaniques d‟un sol par ajout d‟additifs en vue de son utilisation comme couche et sous couche de fondation destinées à supporter le trafic continu des véhicules et les surcharges de la chaussée. Les sols peuvent être stabilisés par plusieurs méthodes. Dans le monde, les trois techniques ayant été adoptées avec succès dans la construction routière sont les méthodes physiques (mécaniques), chimiques et physico-chimiques (bitumineux). La stabilisation physique est réalisée principalement par l‟application d‟une énergie externe par compactage pour augmenter les performances d‟un matériau naturel. Les avantages du compactage sont cependant bien compris et ne seront donc pas détaillés dans cette thèse. Cette technique appelée aussi stabilisation mécanique est aussi le processus d‟incorporer un autre matériau dans le but d‟obtenir un mélange bien gradué ou diminuer la plasticité du matériau d’origine et aboutir ainsi à des matériaux appropriés à la construction routière. Les propriétés physiques du matériau d’origine sont modifiées sans aucune réaction chimique. Par exemple, des fines sont ajoutés à un matériau pulvérulent pour obtenir un matériau avec une courbe granulométrique proche de l‟idéale. Cela permettra d’augmenter la densité obtenue par compactage et améliorer la stabilité du matériau destinées à supporter le trafic routier. La proportion de matière ajoutée est généralement comprise entre 10 et 50%. La stabilisation mécanique est généralement le processus le plus rentable pour améliorer les matériaux pulvérulents peu gradués. Cette technique de stabilisation est généralement utilisée pour augmenter la portance des matériaux granulaires peu gradué afin d‟obtenir un matériau adéquat à la construction routière. La rigidité et la résistance sont généralement plus faibles que celles obtenues par une stabilisation chimique et sont souvent insuffisantes pour les chaussées à forte circulation. Il est des fois nécessaire d’ajouter un agent stabilisant pour améliorer encore mieux les propriétés du mélange des matériaux constitué. La stabilisation physico-chimique est le processus d‟incorporer un additif dans le système. Dans la littérature cet ajout signifie généralement le bitume ou le goudron. Ces produits sont trop visqueux pour être utilisés à température ambiante et doivent être transformés en bitume fluidifié (une solution de bitume en kérosène ou en diesel) ou en bitume (particules de bitume en suspension dans l’eau). Lorsque le solvant s’évapore ou que l’émulsion « se casse », le bitume se dépose sur le matériau. Le bitume agit comme une cohésion dans les sols granulaires et agent d’étanchéité dans les sols cohérents pour empêcher la pénétration de l’eau. Dans de nombreux cas, le matériau bitumineux agit comme une couche imperméable dans la chaussée, empêchant la montée de l’humidité capillaire. Dans un pays où le bitume est relativement cher par rapport au ciment et où la plupart des compétences sont dans la construction de ciment, il semble plus raisonnable d’utiliser un stabilisateur de ciment plutôt qu’un produit à base de bitume / goudron. La stabilisation chimique implique l’ajout d’additifs dans le sol naturel d’origine pour former de nouveaux matériaux cimentaires améliorant ainsi les propriétés de sol (moins de gonflement, une meilleure plasticité et maniabilité et une meilleure portance). Cette dernière technique est utilisée principalement avec les sols à texture fine comme le limon et l’argile. De nombreuses substances chimiques telles que la chaux, le ciment, le chlorure de calcium, le chlorure de sodium et divers composants de silicate ont été utilisées dans le passé pour stabiliser chimiquement les sols. La chaux et le ciment sont les deux additifs largement employés dans la stabilisation chimique des sols argileux utilisés dans la construction des couches et sous-couche de base au lieu d’importer des matériaux granulaires (Bhattacharja et al. 2003). La stabilisation à la chaux est plus utilisée que la stabilisation au ciment. La chaux est souvent moins chère, sa production se fait localement et peut également améliorer la maniabilité de l’argile sur chantier. La stabilisation à la chaux nécessite unefraction d‟argile adéquate et une température de prise relativement élevée d‟où son utilisation est encore plus appropriée dans les pays chaux. En plus, l’hydratation du ciment pourrait être retardée par la montmorillonite, un minéral argileux prédominant dans les sols fins gonflants Bien que la chaux soit largement utilisée, le ciment reste très utile pour stabiliser les sols ayant un faible pourcentage d‟argile et/ou une température peu élevée. Toutefois, en raison de l’épuisement progressif des matériaux de construction traditionnels et des pénuries dans la production de ciment, la nécessité de développer un liant alternatif au ciment pour la stabilisation des sols est devenue nécessaire. Des travaux de recherche un peu partout dans le monde portant sur l‟utilisation des sousproduits industriels comme substitut au ciment et à la chaux ont été entrepris. L’utilisation de sousproduits industriels présente d‟énormes avantages environnementaux et économiques. Toutefois, ces matériaux doivent satisfaire certaines exigences en vue de leur utilisation dans la construction telles que la suppression du potentiel de gonflement, l‟amélioration des caractéristiques de plasticité et de résistance et enfin et surtout sa disponibilité. Le laitier granulé de haut fourneau a été employé que récemment en Australie, en Afrique du Sud, au Royaume-Uni (Higgins et al, 1998) et aux Etats Unis d‟Amérique (Lynn Salvati, 2005). La wilaya d‟Annaba dans le Nord-Est de l‟Algérie est une région industrielle importante. Le complexe d‟El Hadjar qui s‟étend sur plusieurs hectares produit de grande quantité d‟acier, de fer et de sous-produits industriels. SIDER Algérie, la société qui gère cette usine, produit plus de cinq cents mille tonnes de laitier de haut fourneau chaque année envoyé généralement à l’enfouissement en tant que résidus portant préjudice à l‟environnement. Cette quantité sera encore plus importante avec le démarrage du complexe sidérurgique de Bellara, un projet en cours de réalisation par une joint-venture entre l‟Algérie et l‟Emirat Arabe Uni dans la région d‟El Milia (Jijel). Une façon de traiter ses déchets en un produit utile est de procéder à leur refroidissement rapide à l’eau dès qu‟ils sont retirés des haut-fourneaux pour produire un laitier granulé vitreux riche en silice et en calcium. Ce dernier est par la suite broyé pour donner un laitier granulé broyé de haut fourneau connu sous l‟appellation Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS). Le GGBFS possède peu de propriétés de cimentation, généralement il est utilisé en combinaison avec du ciment Portland ou de la chaux hydratée (hydroxyde de calcium) qui prévoient l’alcali nécessaire àl’activation et par-delà l‟amélioration des sols (Higgins et Kennedy 1998; Higgins et al 1998). Son application sur le terrain pourrait bien être bénéfique à l’Algérie en réduisant le coût de construction des infrastructures routières ou autres structures tout en utilisant des déchets de l’industrie sidérurgique. L‟utilisation du GGBFS présente aussi d‟autres avantages, par exemple le GGBFS peut être utilisé comme un matériau de substitution au ciment ou à la chaux et par conséquent réduit la production des gaz à effet de serre (CO2). La production de ciment et de chaux contribue à la production de CO2 , ceci est dû à la décomposition nécessaire de calcaire (CaCO3) pour former le CaO et éliminer le CO2 . A titre d‟exemple, environ une tonne de CO2 est produite pour chaque tonne de clinker de ciment Portland (Lynn Salvaty, 2004). Ce processus produit aussi du CO2 indirectement puisque la combustion des combustibles fossiles dans des hauts fourneaux à haute température est nécessaire pour ce processus de décomposition.
Anil Kumar Sharma (2011)
L’objectif principal du travail d‟Anil Kumar et col est d’étudier le potentiel d’utilisation de matériaux industriels dans le domaine de géotechnique. Une compagne d‟étude en laboratoire de géotechnique a été initiée pour élucider l’efficacité de l‟utilisation de ces liants hydrauliques comme additifs dans la stabilisation des sols expansifs. Les liants proposés, à savoir les cendres volantes et / ou le laitier granulé, broyé de hauts fourneaux (GGBFS) ont été mélangés à différentes proportions avec le sol ensemble avec une petite quantité de chaux pour augmenter son pH et permettre la réaction pozzolanique. Les caractéristiques physiques et mécaniques des différentes combinaisons pour la confection des éprouvettes de sol stabilisées ont été étudiées par la conduction des essais de compactage, de compression simple non confinés, et du Californian Bearing Ratio (CBR). Les résultats obtenus ont montré que l’ajout de GGBFS avec et sans cendres volantes ou chaux a une influence significative sur les caractéristiques géotechniques du sol. Le sol étudié a été obtenu du district de Belgaum, dans l’État du Karnataka, en Inde. C’est un sol expansif qui contient de la montmorillonite comme minéral majeur. Le sol est recueilli à une profondeur de 1 m sous le niveau du sol naturel par excavation à ciel ouvert, puis séché et tamisé à travers un tamis IS de 425 microns avant d’être utilisé dans des études expérimentales. Le GGBFS utilisé est collecté auprès de l’industrie du béton qui l’utilise pour le remplacement partiel du ciment dans la fabrication du béton. Les cendres volantes utilisées dans les études expérimentales sont collectées à la centrale thermique de Raichur, située dans le district de Raichur, dans l’état de Karnataka, en Inde.
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Table des matières
Chapitre 1 INTRODUCTION
1.1 INTRODUCTION GENERALE
1.2 OBJECTIFS
1.3 STRUCTURE DE LA THESE
Chapitre 2 LES ARGILES ET LEURS MINERAUX
2.1 INTRODUCTION
2.2 DEFINITION DES ARGILES
2.3 MINERAUX ARGILEUX
2.3.1 Microstructure des argiles
2.4 PROPRIETES MACROSCOPIQUES
2.4.1 Argiles tendres et argiles raides
2.4.2 Propriétés mécaniques caractéristiques des argiles
2.4.3 L’argile en tant que milieu poreux
2.4.4 Gonflement, retrait et dessiccation
2.5 TRAITEMENT DES SOLS EXPANSIFS
Chapitre 3 STABILISATION DES SOLS
3.1 INTRODUCTION
3.2 STABILISATION DES SOLS
3.3 LE LAITIER
3.3.1 Refroidissement lent
3.3.2 Refroidissement rapide
3.3.3 Activation du laitier granulé
3.4 TRAVAUX ANTERIEURS
3.4.1 Noorina Tarannum Khan†*, Swapnil Walzade† and R.K. Yadav (2017)
3.4.2 Daylan J (2016 )
3.4.3 Ashish Kumar Pathak1, Dr. V. Pandey, Krishna Murari. J.P.Singh (2014)
3.4.4 Sridevi G and Sreerama Rao A (2014)
3.4.5 Anil Kumar Sharma (2011)
3.4.6 Erdal Cokca, Veysel Yazici et Vehbi Ozaydin (2009)
3.4.7 R. James, A. H. M. Kamruzzaman, A. Haque and A. Wilkinson (2008)
Chapitre 4 MATERIAUX ET PROCEDURES D’ESSAIS
4.1 INTRODUCTION
4.2 MATERIAUX
4.2.1 LES MATERIAUX STABILISATEURS
4.2.2 LE MATERIAU SOL
4.3 EQUIPEMENTS ET PROCEDURES D‟ESSAIS
4.3.1 Préparation des éprouvettes
4.3.2 Modes Opératoires
Chapitre 5 ESSAIS ET INTERPRETATIONS
5.1 INTRODUCTION
5.2 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LE PH DU SOL
5.3 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LA DENSITE SPECIFIQUE DU SOL
5.4 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LA GRANULOMETRIE DU SOL
5.5 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LES LIMITES D‟ATTERBERG DU SOL
5.5.1 Sol traité au laitier seul
5.5.2 Sol traité au laitier activé
5.5.3 Comparaison des résultats pour les additifs laitier et laitier activé
5.6 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LE COMPACTAGE DU SOL
5.6.1 Influence du laitier sur les caractéristiques de compactage
5.6.2 Influence du laitier activé sur les caractéristiques de compactage
5.7 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LA COMPRESSION SIMPLE DU SOL
5.8 INFLUENCE DU LAITIER GRANULE SUR LE GONFLEMENT DU SOL
5.8.1 Influence du laitier sur le gonflement du sol
5.8.2 Influence du laitier activé sur le gonflement du sol
5.8.3 Comparaison de l‟influence du laitier et du laitier activé sur le gonflement du sol
5.8.4 Comparaison de la variation de la hauteur
5.8.5 Etude de fiabilité des essais de gonflement
Chapitre 6 CONCLUSIONS ET RECOMANDATONS
6.1 CONCLUSIONS
6.2 RECOMANDATIONS
REFFERENCES
ANNEXE
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