Soutenance mémoire
ÉTAT DE L’ART SYNTHÉTIQUE
Les argiles
L’argile est constituée de particules fines de taille inférieure à 2 ȝm [11]. Les particules d’argile résultent de l’altération des roches, suivie d’une transformation chimique. Leur structure résultante dépend du climat (température et humidité), de l’altitude, des minéraux présents dans leur environnement et de plusieurs facteurs géologiques (éruption volcanique, présence d’eau et des sels, etc..). Les particules argileuses sont formées essentiellement de phyllosilicates (silicates en feuillets). Elles ont la forme de plaquettes fines développées dans un plan de l’espace.
La structure des feuillets est organisée en plans ioniques successifs. Ces plans ioniques sont composés d’anions O β-ou OH – entre lesquels se dispersent des cations, spécialement du Si 4+ et Alγ+ [12]. Les plans ioniques s’empilent pour form er des couches tétraédriques (T) ou octaédriques (O). Ces couches s’assemblent pour former deux types de feuillets élémentaires (T-O ou T-O-T). Les feuillets s’accolent ent re eux pour former des éléments ou unité structurale. L’espace situé entre deux feui llets argileux est appelé espace interfoliaire (Figure 2).
Leskaolinites
La kaolinite est une argile à 7 Å, de feuillet élémentaire T-O. Ses feuillets adhèrent entre eux par des liaisons d’hydrogène qui s’établissent entre le proton qui est à la surface du groupement hydroxyle ( OH -) de la couche octaédrique et les atomes d’oxygène de la couche tétraédrique du feuillet suivant (Figure 6). Cette liaison par l’hydrogène est assez rigide et rapproche les feuillets les uns des autres. Ceci donne un caractère plus ou moins stable à la kaolinite connue pour étant une argile non gonflante en présence de l’eau. La Figure 7 présente une image MEB d’une argile de type kaolinite .
Les illites
L’illite ou mica, est une argile à 10 Å, de feuillet élémentaire T-O-T enfermant un cation de potassium K + dans son espace interfoliaire. Les feuillets adhèrent les uns aux autres par l’intervention des forces de Van der Waals. La présence du cation K + compense le déficit de charge présent à la surface des feuillets, ainsi il contribue à rigidifier l’ensemble. Le potassium a le même diamètre que l’espace interfoliaire, par conséquent les molécules d’eau ne parviennent pas à s’engager entre les feuillets. D’où la faible capacité de gonflement de l’illite.
Les réactions pouzzolaniques
À la suite des réactions d’écha nge cationique, les réactions pouzzolaniques commencent à se produire entre le calcium provenant de la chaux et les couches tétraédriques, et octaédriques des feuillets argileux. Il faut noter que les cations de calcium fixés déjà dans l’espace interfoliai re ne participent plus aux réactions pouzzolaniques [14] [28] [29] [27]. Par conséquence ces réactions se passent sur les bords des particules argileux avec les cations excédentaires en solution.
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 [14]. On identifie des hydrates tel que hydrate de silicate calcique (CSH), hydrate d’aluminate calcique (CAH) et hydrate alumino-silicate calcique (CASH) [36] [25].
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 [14].
Cette réaction pouzzolanique a une cinétique lente qui nécessite, à température ordinaire, plusieurs mois avant que ses effets puissent être appréciés [14] [37] [38] [39].
Cependant, la cinétique dépend de plusieurs facteurs dont la température de maturation et la teneur en eau des sols traités. En dessou s de 5°C, la cinétique est ralentie alors qu’elle s’accélère avec l’augmentation de la température [14] [33] [27] [38] [40] [39] [21]. Une humidité relativement importante favorise la réaction pouzzolanique par la mobilité des ions et la formation des minéraux uniformes dans une surfaceplus ou moins étendue autour des grains de chaux [14] [26] [27].
Effet sur le comportement mécanique
L’ajout des liants permet une amélioration à plus long terme des sols. L’utilisation d’un traitement à la chaux ou aux liants hydrauliques aboutit à l’am élioration des caractéristiques mécaniques du matériau traité [18] [21].
Traitement à la chaux
Dans le cas du traitement à la chaux, les réactionspouzzolaniques permettent une amélioration des caractéristiques mécaniques du mélange. Ces améliorations peuvent durer jusqu’à un an de traitement [26]. De même l’ajout de la chaux permet de réduire la densité sèche du mélange, d’augmenter la résis tance à la compression simple avec le temps de cure, de supprimer le gonflement et de réduire le retrait [18] [41].
Traitement au ciment
Dans le cas du traitement au ciment, les caractéristiques mécaniques sont acquises par deux effets : d’une part, par l’hydratation du ciment et la formation d’un mortier, et d’autre part, par sa réaction avec l’argile. Ces améliorations sont rapidement acquises le premier mois et peuvent augmenter pendant un an [21].
Méthodes d’analyse microstructurale
Analyse Minéralogique par Diffractométrie aux rayons X
La diffractométrie aux rayons X, appelée aussi la cristallographie, est une technique d’analyse de la microstructure de la matière par diffraction de rayons X. Elle permet d’identifier le réseau cristallin d’une matière et de quanti fier sa partie amorphe. En effet, les rayons X incidents, découverts par Röntgen en 1845, se di ffractent au contact d’une matière cristalline et diffusent si celle-ci n’est pas bien cristallisée [50].
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques ayant pour longueur d’ondes Ȝ comprise entre 0.01 nm et 10 nm. Ils sont généralement émis lors de la décélération soudaine de particules en mouvement rapide. En diffractométrie, l’émission X est générée dans un tube à rayons X lorsque des électrons émis par un filament de tungstène incandescent (cathode) et accélérés dans le vide dutube sous des voltages généralement compris entre 15 et 60 kV percutent une cible métallique (anode). Lors de leur impact avec la cible les électrons renco ntrent un grand nombre d’autres électrons, ce qui cause leur brusque décélération. L’énergie li bérée par le retour des atomes à leur état fondamental est dégagée sous forme de rayonnements secondaires caractéristiques des éléments suivant deux modes, radiatifs (rayons X) ou non radiatifs (électrons Auger) [51].
La cristallographie des rayons X a été découverte en1913 par le père et le fils Bragg [52]. Un cristal est un regroupement d’élément (atomes , molécules, ions…) d’une manière régulière. Chaque plan atomique du cristal est caractérisé par ses trois dimensions (hkl).
La distance entre deux plans exacts est noté « d ». Si un faisceau de rayons X incident sous un angle θ traverse un plan du cristal, il se diffracte sous le même angle θ avec la même longueur d’onde Ȝ ( Figure 22) [53]. La loi de Bragg sous sa forme généralisée s’écritalors,avec n l’ordre de diffraction (nombre entier).
Montmorillonite
La limite de liquidité de la montmorillonite est WL = 116%. Nous avons vérifié le comportement gonflant de la montmorillonite. La Figure 35 présente son diffractogramme. Sur le graphe (a) nous avons identifié la présence d’un pic à 15 Å. Suite à un traitement à l’éthylène glycol, ce pic a bougé jusqu’à 17 Å vérifiant le comportement gonflant de cette argile.
Nous avons mesuré aussi le pH et la CE de la montmorillonite en suivant le même protocole décrit dans le cas du limon GO. Nous obtenons une valeur moyenne du pH de la montmorillonite égale à 7.51 ± 0.13 et une valeur moyenne de sa conductivité électrique égale à 172 ± 2µS/cm.
Cas du Limon GO
Variation du pH des mélanges
La Figure 41 présente la variation du pH en fonction du temps d e cure des cinq mélanges du Limon GO traité avec la chaux et/ou le ciment. Le pH des matériaux de base est aussi présenté en trait pointillé. Nous remarquons que la variation du pH est très faible de l’ordre de ± 0.γ.
Les trois mélanges contenant de la chaux (Limon traité avec 3% de chaux, Limon traité avec 3% de chaux et 8% de ciment, et la pâtede limon traité avec 3% de chaux et 8% de ciment) ont une valeur de pH initiale égale à12.74, tandis que les deux mélanges contenant uniquement du ciment (Limon traité avec 8% de ciment et Limon traité avec β0% de ciment) ont une valeur de pH inférieure de l’ordre de 11.8β.
La valeur du pH des mélanges contenant de la chaux se situe au niveau du pH du ciment, et la valeur du pH des mélanges contenant uniquement du ciment se trouve légèrement supérieur au niveau du pH de la chaux.
Le pH des mélanges traités avec de la chaux ne varie presque pas en fonction du temps de cure des mélanges. Le pH du mélange Limon traité avec 8% de ciment augmente légèrement après 24h de temps de cure puis décroît vers sa valeur initiale. Cependant, dans le cas du traitement avec 20% de ciment, la variation du pH est plus visible. Il augmente pendant la première semaine de cure et atteint le niveau des mélanges traités avec la chaux, puis décroît-en suivant la même allure de la pâte dulimon traité avec la chaux et le ciment.
L’augmentation de la valeur du pH des mélanges Limon traité avec du ciment peut être expliquée par le fait que l’hydratation du ciment libère de la por tlandite (Ca(OH) 2) qui enrichi le milieu par des ions Ca 2+ . Dans le cas du limon traité avec 20%, le pourcentage du ciment est plus important que dans le cas du limon traité avec 8% de ciment, ce qui explique l’augmentation plus importante pour le limon tr aité avec 20%. La solution de ce dernier devient saturée par les ions Ca 2+ , c’est pourquoi elle atteint le niveau des mélanges traités avec de la chaux. Après 200 jours de cure, les mélanges traités avec du ciment tendent vers une valeur égale à 12.27 alors que le mélange traité uniquement avec de la chaux augmente légèrement jusqu’à atteindre 1β.λ5.
Constat : nous remarquons que la variation du pH est très limitée (± 0.3) quel que soit le mélange et le temps de cure. Or, le modèle du pH-mètre utilisé a une précision constructeur de ± 0.0β. Cependant, la précision observée au laboratoire est de l’ordre ± 0.1.
On se pose alors la question sur la pertinence du choix de cet indicateur dont la variation est dans le même ordre de grandeur que la précisiondu capteur qui le détermine. Nous avons choisi donc d’utiliser un autre indicateur qu’est la conductivité électrique que nous présentons ci-dessous.
Variation de la CE des mélanges
La Figure 42présente la variation de la conductivité électrique en fonction du temps de cure des cinq mélanges du Limon GO traité avec la chaux et/ou le ciment. De même, la conductivité électrique des matériaux de base est présentée en trait pointillé. La variation de la conductivité électrique des mélanges s’effectue dans un domaine plus large que celui de la variation du pH ; la CE varie entre 146 µS/cmet 1600 µS/cm.
Comme dans le cas du pH, les 3 mélanges traités à la chaux ont une valeur de CE initiale similaire de l’ordre de 1400 µS/cm alors que les deux mélanges traités uniquement avec du ciment ont une valeur initiale plus faible de l’ordre de β00 à 400 µS/cm.
Variation du pH et de la CE dela solution Limon traité avec 3% de chaux (Li-3Ch)
Des solutions ont été préparées par prélèvements demélanges à un temps de cure donné mélangés avec de l’eau. La Figure 43présente la variation du pH de ces solutions dans le cas du mélange limon traité avec 3% de chaux et la Figure 44présente la variation de la conductivité électrique CE de ces solutions. Le pH et la CE de chaque solution préparée sont mesurés après 0h, 1h, 24h, 3 jours, 7jours, 28 jours et 45 jours.
Nous présentons ci-dessous la variation du pH pour les solutions préparées après 0h de cure, après 1h de cure, après 1 jour de cure, après 3 jours de cure, après 7 jours de cure et après 28 jours de cure.
Cas de la Kaolinite
Variation du pH des mélanges
La Figure 45 présente la variation du pH en fonction du temps de cure des quatre mélanges de la Kaolinite traitée avec la chaux et/ou le ciment.
La valeur du pH des mélanges traités avec la chaux ne varie quasiment pas et reste constante de l’ordre de 1β.8 tout au lon g du temps de cure, légèrement au-dessus du niveau du pH du ciment (12.6). De même la valeur du pH du mélange traité avec 8% de ciment ne varie quasiment pas et reste constante de l’ordre de 11.85 et proche de la valeur du pH de la chaux (11.6). Cette variation est similaire à celle obtenue dans le cas des mélanges à base de limon.
Variation de la CE des mélanges
La Figure 46présente la variation de la conductivité électrique en fonction du temps de cure des quatre mélanges de la Kaolinite traitéeavec la chaux et/ou le ciment.
Comme dans le cas du Limon, les mélanges traités avec de la chaux ont une conductivité électrique initiale supérieure à celui traité avec du ciment, de l’ordre de 1β00 et 240 µS/cm respectivement. Nous remarquons que les mélanges traités à la chaux, dans le cas de la kaolinite, présentent une CE légèrement inférieure à ceux dans le cas du limon.
Tandis que les mélanges traités avec du ciment présente une conductivité électrique proche dans les deux cas de sol.
Contrairement au cas du Limon traité, la conductivité électrique des mélanges à base de kaolinite ne varie pas significativement sauf dans le cas de la pâte de kaolinite traitée.
En effet, les mélanges à base de kaolinite sont préparés à partir de poudre sèche sauf pour le mélange de pâte qui contient une quant ité d’eau égale à WL de la kaolinite. Ceci explique pourquoi la CE ne varie presque pas pour le mélange traité avec du ciment et que tardivement, après 1 semaine de cure, pour les mélanges traités à la chaux.
Variation de la CE des mélanges
La Figure 49présente la variation de la conductivité électrique en fonction du temps de cure des quatre mélanges de la Montmorillonite traitée avec la chaux et/ou le ciment.
Comme dans le cas du Limon et de la kaolinite, les mélanges traités avec de la chaux ont une conductivité électrique initiale supérieureà celui traité avec du ciment, de l’ordre de 850 et 350 µS/cm respectivement. Nous remarquonsaussi que les mélanges tr aités à la chaux, dans le cas de la montmorillonite, présentent une CE inférieure à ceux dans le casdu limon et la kaolinite. Tandis que les mélanges traités avec du ciment présentent une conductivité électrique supérieure aux deux autres sols.
Comme dans le cas de la kaolinite, la CE ne varie que dans le cas de la pâte de Montmorillonite. Dans ce cas, elle diminue et atteint, au bout de 45 jours de cure, la valeur de la CE de la montmorillonite non traitée. En effet, la montmorillonite est une argile très réactive. Les ions présents en solution sont rapidement adsorbés dans l’espace interfoliaire de l’argile. Ceci explique cette forte diminution de la CE.
Comparaison E-LiCh-8Ci et E-Li-8Ci
En comparant les résultats des mélanges E-LiCh-8Ci et E- Li-8Ci, nous nous attendions à obtenir une variation similaire voire une résistance plus importante dans le cas du limon traité préalablement avec de la chaux (E-LiCh-8Ci). Cependant la résistance du mélange E-LiCh-8Ci est plus faible que celle du E-Li-8Ci, presque sa moitié.
L’ajout préalable de la chaux au limon permet une restructuration des particules grâce à l’échange cationique qui ait lieu entrainant la floculation et l’agglomération des feuilletsd’argile. Le limon chaulé (E -LiCh-8Ci) a été ensuite séché à l’étuve afin de faciliter la préparation du mélange. Or le séchage du mélange entraine la carbonatation de la chaux présente et donc la formation de la calcite (CaCO γ ). Pour un temps de cure t = 0, nous avons pu identifier la calcite sur le diffractogramme du mélange E-LiCh-8Ci et non sur le mélange E-Li-8Ci (Figure 60) (réflexions à 56.99°, 55.78° et 42.03°). Nous pensons alors que la présence de la calcite peut réduire la résistance à la compression simple du mélange (voir paragraphe A-I-3.1.1.4 page 23).
|
Table des matières
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
GLOSSAIRE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ÉQUATIONS
INTRODUCTION GÉNÉRALE
PARTIE -A- TRAITEMENT DES SOLS AUX LIANTS HYDRAULIQUES – ASPECT PHYSICOCHIMIQUE
SOMMAIRE DE LA PARTIE -A-
INTRODUCTION DE LA PARTIE -A-
CHAPITRE -I- ÉTAT DE L’ART SYNTHÉTIQUE
A-I-1. Les argiles
A-I-2. Les Liants
A-I-3. Interactions Argile-Liants
CHAPITRE -II- MÉTHODES ET MATÉRIAUX
A-II-3. Identification des matériaux utilisés
A-II-4. Protocoles expérimentaux
CHAPITRE -III- RÉSULTATS
A-III-1. Suivi du pH et de la conductivité électrique CE
A-III-2. Analyse microstructurale des mélanges Li-8Ci et Li-20Ci
A-III-3. Analyse mécanique
CONCLUSION DE LA PARTIE -A-
PARTIE -B- FISSURATION PAR DESSICCATION DE L’ARGILE
SOMMAIRE DE LA PARTIE -B-
INTRODUCTION DE LA PARTIE -B-
CHAPITRE -I- ÉTAT DE L’ART SYNTHÉTIQUE
B-I-1. Définition de la dessiccation et de la fissuration
B-I-2. Étude des mécanismes de la fissuration par dessiccation dessols
B-I-3. Cas du béton de ciment
B-I-4. Synthèse
CHAPITRE -II- MATÉRIAUX ET MÉTHODES
B-II-1. Matériaux
B-II-2. Méthodes
B-II-3. Protocole expérimental
CHAPITRE -III- RETRAIT ET FISSURATION DES SOLS FINS
B-III-1. Chemins de drainage-humidification
B-III-2.Champs de déformation
B-III-3. Étude de la fissuration du limon naturel
B-III-4. Minimisation de la fissuration par ajout de renforts
CHAPITRE -IV- IMPACT DE L’AJOUT DES GRANULATS SUR LE COMPORTEMENT DES BÉTONS DE TERRE CRUE
B-IV-1. Étude 2D de la dessiccation
B-IV-2. Étude 1D de la dessiccation
B-IV-3.Effet des granulats sur le comportement mécanique
B-IV-4. Conclusion
CONCLUSION DE LA PARTIE -B-
PARTIE -C- INTERACTION ACIER-ARGILE : BÉTON DE TERRE ARMÉ ?
SOMMAIRE DE LA PARTIE -C-
INTRODUCTION DE LA PARTIE -C-
CHAPITRE -I- ÉTAT DE L’ART SYNTHÉTIQUE
C-I-1. Généralités
C-I-3. La corrosion des aciers dans le sol
CHAPITRE -II- MÉTHODES ET PROTOCOLES EXPÉRIMENTAUX
C-II-1. Les méthodes de suivi de la corrosion
C-II-2. Protocoles expérimentaux
CHAPITRE -III- RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION
C-III-1. Résultats électrochimiques pour les différentes argiles
CONCLUSION DE LA PARTIE -C-
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
ANNEXE 1
ANNEXE 2
ANNEXE 3
ANNEXE 4
