Soutenance mémoire
Comportement des sols traités à la chaux et soumis à une circulation d’eau : synthèse bibliographique
LES SOLS DANS LES TERRASSEMENTS
Les sols sont des matériaux composés de trois phases distinctes : solide (particules minérales ou organiques), liquide (eau interstitielle chargée en éléments solubles) et gazeuse. La nature minérale des constituants des sols est très variable. Les familles minérales les plus représentées sont : les silicates, représentant 95% des constituants de l’écorce terrestre, puis les carbonates, et enfin les sulfates, phosphates, sulfures, chlorures, oxydes, et métaux. Les minéraux silicatés les plus courants sont le quartz, les feldspaths, les amphiboles, les pyroxènes et les phyllosilicates, parmi lesquels figurent les micas et les minéraux argileux. Les minéraux argileux présentent des propriétés physico-chimiques qui se démarquent très nettement des autres minéraux, ce qui explique leur influence prépondérante dans le comportement des sols . Il est donc essentiel de s’intéresser à leur structure et propriétés physico-chimiques afin de mieux comprendre l’origine et le rôle des différents mécanismes physico-chimiques intervenant lors du traitement des sols à la chaux.
Les minéraux argileux
Les minéraux argileux sont des phyllosilicates d’aluminium hydratés formés par l’association de feuillets élémentaires. Ces feuillets sont constitués de couches octaédriques, O (Al(OH)6), et de couches tétraédriques, T (SiO4), reliées par des atomes d’oxygène et d’hydrogène .
La minéralogie de chaque argile est définie par le motif ou structure du feuillet, c’està-dire par l’assemblage des couches octaédriques et tétraédriques. On distingue ainsi deux grands types de structures : une structure TO qui résulte de la liaison entre une couche tétraédrique et une couche octaédrique et une structure TOT qui correspond à une couche octaédrique encadrée par deux couches tétraédriques. Dans la classification des argiles, on distingue les kaolinites, qui sont constituées d’une succession de feuillets TO, et qui sont caractérisées par une distance interfoliaire (distance entre chaque feuillet) de 7 Ǻ. Les smectites et illites, sont elles, constituées d’une succession de feuillets TOT. La distance entre chaque feuillet est de l’ordre de 10 Ǻ. Les couches tétraédriques de ces deux minéraux argileux ont la particularité de pouvoir présenter une substitution partielle des atomes de silicium par des atomes d’aluminium ou de fer. Ces substitutions (par ex. substitution de Si4+ par Al3+ ou Fe3+qui sont des cations de valence plus faibles) entraînent un déficit en charges positives des feuillets. Des cations, appelés « cations interfoliaires » sont alors introduits, par compensation de ce déficit, dans l’espace interfoliaire. La nature des cations interfoliaires diffère selon le type d’argile : les smectites sont, le plus souvent, caractérisées par des cations interfoliaires Ca2+ ou Na+ , les illites présentent des cations interfoliaires K+ .
Charges des surfaces argileuses et notion de double couche
Charges des surfaces argileuses
Les minéraux argileux se caractérisent par une surface électrique non neutre. Deux types de charges peuvent être distinguées :
– une charge permanente ou structurelle négative, liée principalement aux substitutions ioniques (Al3+ ou Fe3+ pour Si4+ dans les couches T, et Mg2+ ou Fe2+ pour Al3+ dans les couches O).
– une charge de surface variable, liée aux réactions chimiques qui se produisent à la surface des minéraux selon le pH du milieu environnant. Cette charge de surface est associée à l’ionisation des groupes Si-OH et Al-OH le long des surfaces des particules argileuses. Les équations (1) et (2) permettent d’illustrer ce phénomène. À faible pH les particules argileuses sont caractérisées par une charge de surface positive. Au contraire, à pH élevé elles présentent une charge de surface négative.
Théorie de la double couche
La distribution des cations à la surface des particules argileuses est modélisée par la théorie de la double couche. Celle-ci décrit le comportement des argiles en solution, et donc, les interactions existantes entre la surface des argiles, les cations interfoliaires, l’eau interfoliaire et les solutions environnantes. Du fait de la charge permanente négative des argiles en surface, il est observé, en présence d’une solution contenant des cations, une attraction des cations par la surface des argiles pour atteindre un nouvel équilibre. Un gradient s’établit et les cations vont avoir tendance à diffuser vers la solution.
Capacité d’échange cationique
La capacité d’échange cationique (CEC) est la capacité d’une argile à échanger des cations. Les argiles présentent deux types de sites d’échanges : des sites d’échanges permanents, et des sites d’échanges dépendant du pH. Les sites d’échanges permanents (cas des smectites et illites) sont caractérisés par les substitutions pouvant intervenir au sein des couches octaédriques et tétraédriques. En effet, ces substitutions résultent en un déséquilibre électrique qui est compensé par l’adsorption, au niveau des espaces interfoliaires, de cations dits interfoliaires tels que Na+ , Ca2+, Li+ , K+ , Fe2+. Les sites d’échanges dépendants du pH sont associés à la charge variable existant à la surface des argiles en fonction du pH du milieu environnant. Ces sites d’échanges concernent principalement les kaolinites qui ne disposent pas de cations interfoliaires. La cinétique d’échange des cations dépend de la nature de l’argile, des concentrations d’ions, de la température, etc. Toutefois, en général, les réactions d’échanges dans les minéraux kaolins (CEC entre 3-15 meq/100g) sont quasiment instantanées, les sites étant facilement accessibles puisque principalement sur les bords des particules argileuses. Dans les illites (CEC entre 10-40 meq/100g), quelques heures sont nécessaires avant la fin des réactions, car une partie des sites d’échanges est située entre les feuillets. Enfin, concernant les smectites (CEC entre 80-150 meq/100g), un temps beaucoup plus long est nécessaire car la majeure partie de leur sites d’échanges est située dans les régions interfoliaires (Mitchell, 1993).
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I – COMPORTEMENT DES SOLS TRAITÉS À LA CHAUX ET SOUMIS À UNE CIRCULATION D’EAU : SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Introduction
I.2. Les sols dans les terrassements
I.2.1. Introduction
I.2.2. Les minéraux argileux
I.2.3. Charges des surfaces argileuses et notion de double couche
I.2.3.1 Charges des surfaces argileuses
I.2.3.2 Théorie de la double couche
I.2.4. Capacité d’échange cationique
I.3. Traitement des sols à la chaux : principes d’action
I.3.1. Processus physico-chimiques induits par la présence de chaux
I.3.1.1. Hydratation et ionisation de la chaux
I.3.1.2. Échanges cationiques
I.3.1.3. Réactions pouzzolaniques
a) Principe général
b) Conditions d’initiation des réactions pouzzolaniques
I.3.1.4. Carbonatation
I.3.2. Effets des processus physico-chimiques induits par la chaux sur les propriétés des sols
I.3.2.1. Effets sur les propriétés des sols traités avant compactage
a) Floculation/agrégation des particules argileuses
b) Modification de la capacité d’échange cationique
c) Modification des limites d’Atterberg
d) Modification de la granulométrie
I.3.2.2. Effets sur les propriétés de compactage des sols traités
I.4. Modifications des propriétes des sols traités à la chaux après compactage
I.4.1. Effets de la chaux sur la microstructure des sols après compactage
I.4.1.1. Effets à court terme de la chaux sur la microstructure des sols après compactage
I.4.1.2. Effets à long terme de la chaux sur la microstructure des sols après compactage
I.4.1.3. Effets des conditions de compactage sur la microstructure des sols après compactage
I.4.1.4. Conclusion
I.4.2. Effets de la chaux sur les caractéristiques mécaniques
I.4.2.1. Résistance à la compression
a) États des connaissances
b) Conclusion
I.4.2.2. Résistance au cisaillement
a) États des connaissances
b) Conclusion
I.4.3. Effets de la chaux sur la perméabilité des sols
I.4.3.1. Effets de la chaux sur la perméabilité des sols compactés
I.4.3.2. Effets de l’état initial des sols traités à la chaux sur leur perméabilité
I.4.3.3. Conclusion
I.5. Effets d’une circulation d’eau sur le comportement physico-chimique, mécanique et hydraulique des sols traités à la chaux
I.5.1. Introduction
I.5.2. Analogie ciments et sols traités à la chaux soumis à une circulation d’eau
I.5.2.1. Mécanisme d’hydrolyse et stabilité des composés cimentaires
I.5.2.2. Effets de la circulation d’eau sur la porosité et la résistance à la compression des ciments
a) Effet de la circulation d’eau sur la porosité des ciments
b) Effet de la circulation d’eau sur la résistance à la compression simple des ciments
I.5.2.3. Conclusion
I.5.3. Comportement physico-chimique, mécanique et hydraulique des sols traités à la chaux soumis à une circulation d’eau
I.5.3.1. Matériaux et méthodes expérimentales pour simuler les circulations d’eau
a) Matériaux
b) Méthodes expérimentales
I.5.3.2. Effets d’une circulation d’eau sur le comportement physico-chimique des sols traités à la chaux
I.5.3.3 Effets d’une circulation d’eau sur le comportement géotechnique des sols traités à la chaux
a) Évolution des propriétés mécaniques des sols traités
b) Évolution de la perméabilité des sols traités
I.6. Conclusion
CHAPITRE II – MATÉRIAUX ET PROCÉDURES EXPÉRIMENTALES
II.1. Matériaux
II.1.1. Chaux
II.1.2. Sol
II.1.3. Préparation, compactage et caractéristiques des éprouvettes de sol non traité et traité
II.2. Procédures expérimentales
II.2.2. Sollicitations étudiées
II.2.2.1. Contact à l’eau
II.2.2.2. Circulation d’eau
II.2.3. Suivi du comportement physico-chimique, microstructural et géotechnique
II.2.3.1. Analyses physico-chimiques
II.2.3.2. Essais de caractérisation de la microstructure
II.2.3.3. Essais géotechniques
CHAPITRE III – COMPORTEMENT PHYSICO-CHIMIQUE DU LIMON DE JOSSIGNY TRAITÉ À LA CHAUX ET SOUMIS À UNE CIRCULATION D’EAU
III.1. Présentation de l’article
III.2. Conclusion
CHAPITRE IV – MICROSTRUCTURE ET COMPORTEMENT HYDRAULIQUE DU LIMON DE JOSSIGNY TRAITÉ À LA CHAUX ET SOUMIS À UNE CIRCULATION D’EAU
IV.1. Introduction
IV.2. Observations au microscope électronique à balayage
IV.3. Article 2
IV.3. Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
