Constituants du matériau Soil-Mixing

Constituants du matériau Soil-Mixing 

Le matériau Soil-Mixing peut être considéré comme un béton dont les granulats seraient en fait les particules solides du sol. Ce type de matériau était jusqu’au milieu du XXe siècle appelé un béton de sol. Sa résistance est supérieure à celle d’un sol, inférieure à celle d’un béton , mais les constituants sont les mêmes.

Généralement, un béton utilisé en construction est constitué de ciment, d’eau et de granulats. Ces derniers sont inertes (c’est-à-dire non réactifs à l’eau et au ciment), et ne sont présents que pour être agglomérés par le ciment et ainsi former une pierre artificielle (Baroghel-Bouny, 1994). Le sol, lui, n’est pas forcement inerte, et surtout, sa qualité n’est pas contrôlée mais au contraire imposée. Il est de plus hétérogène.

Sols

Les sols sont constitués de trois phases distinctes : solide, liquide et gazeuse (dans le cas d’un sol non saturé). C’est la plus grande inconnue du trio eau-liant-sol : il est en effet hétérogène (dans les trois directions principales) sur un même site, aussi petit soit-il, de nature différente d’un chantier à un autre, et a subi une histoire qui lui est propre et jamais comparable à celle d’un autre sol. En effet, son histoire comprend aussi bien son état de consolidation que sa teneur en eau naturelle, et la quantité de polluants qu’il contient, par exemple.

C’est pourquoi, comme le préconise la norme NF EN 14679, relative aux colonnes de sol traité (AFNOR 2005), le sol doit faire l’objet d’une étude approfondie sur les différents points ci-dessous :
– la sensibilité à l’eau,
– la nature,
– la granulométrie,
– l’organisation de la fraction granulaire.

Argilosité du sol 

L’argilosité d’un sol est un des points déterminants qui joue sur son aptitude à être traité. Conventionnellement, on peut l’évaluer de deux façons par des essais géotechniques: soit en déterminant les limites d’Atterberg, soit en déterminant sa valeur au bleu de méthylène (VBS). Les limites d’Atterberg sont des paramètres servant à identifier un sol en déterminant les teneurs en eau aux transitions définies conventionnellement entre état solide, plastique et liquide . En particulier, Casagrandre définit la limite de liquidité comme la teneur en eau à laquelle un sol possède une résistance au cisaillement de 25 g/cm², c’est-à-dire 2,5 kPa. En France, la limite de plasticité est déterminée selon la méthode du rouleau, et la limite de liquidité est déterminée soit à la coupelle soit avec le cône de pénétration (AFNOR 1993, 1995).

La valeur de bleu de méthylène VBS représente la quantité de bleu de méthylène pouvant s’adsorber sur les surfaces externes et internes des particules de sol (Lautrin 1987). Etant donné que dans un sol, c’est avant tout la surface spécifique des particules argileuses qui détermine sa surface spécifique totale, on peut considérer que la VBS exprime globalement la quantité d’argile contenue dans ce sol. L’essai se pratique selon la norme (AFNOR 1998). La connaissance de la VBS du sol vierge est importante dans le cas du traitement des sols puisqu’elle nous informe sur l’argilosité du sol. En effet, (Verdeyen et al. 1956; Boussaid et al. 2003) ont montré, en travaillant sur des mélanges sable-argile en laboratoire, que ces paramètres évoluent linéairement avec le pourcentage d’argile contenu dans ces mélange .

Les limites d’Atterberg, et principalement la limite de liquidité wL, sont des facteurs déterminant car la technique du Deep Mixing nécessite de travailler au-dessus de la limite de liquidité du sol à traiter (Bergado et al. 2005). Plus la limite de liquidité wL est élevée, plus le rapport C/E final maximal est faible. Or, (Jacobson et al. 2005; Modmoltin et Voottipruex 2008) entre autres ont montré que la résistance d’un matériau du matériau Soil-Mixing dépend de ce rapport C/E, toutes choses étant égales par ailleurs.

La limite de plasticité wP joue elle aussi certainement un rôle en ce qui concerne le potentiel à être traité avec un liant hydraulique, même si cela n’est pas cité dans la littérature. Les données collectées lors d’une étude bibliographique effectuée au cours de ce projet (Bruchon 2010) ont permis de montrer que plus wP est élevée, plus la résistance du sol après traitement est grande . Une explication peut être proposée en prenant en compte les conditions de malaxage. En effet, un sol très argileux est difficile à “casser” pour le rendre homogène en vue de l’incorporation du liant. Par conséquent, le liant n’est pas réparti de façon homogène dans la microstructure du matériau. Ainsi un résultat possible du mélange serait l’obtention d’une couche de ciment qui recouvre des “boulettes” d’argile, qui n’auraient pas été réduites à cause de contraintes de cisaillement trop faibles lors du mélange, par exemple (cf. paragraphe sur les techniques de Soil-Mixing). La continuité mécanique de cette  matrice apporte un gain de résistance, alors que pour des mélanges homogènes, cette continuité n’est pas forcément assurée surtout pour des faibles quantités de ciment.

Au regard de ces observations, il est donc logique que l’argilosité du sol (que ce soit la classification LCPC ou la classification selon la norme NF P11-300 traitant de la classification des matériaux utilisables dans la construction des remblais et des couches de forme d’infrastructures routières (AFNOR 1992)) joue un rôle sur l’aptitude au traitement du matériau.

Influence de la granulométrie 

La courbe granulométrique est importante : elle conditionne la compacité du squelette granulaire. Un sol dont le squelette granulaire permet un indice des vides minimal sera plus compact, et offrira une résistance plus grande, grâce à l’imbriquement des particules solides. Plus la courbe se rapprochera du modèle de Fuller , qui est la courbe idéale de compacité, plus celle-ci sera bonne (Lade et al. 1998; Reiffsteck et al. 2007). Cette courbe correspond à un sol composé d’une fraction grossière mélangé à 30 % de la fraction fine. La résistance obtenue sera donc proche de l’optimum. Autour de cette courbe granulométrique idéale existe ce qu’on appelle un fuseau de compacité optimale.

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1. Bibliographie
1 Introduction
2 Les méthodes et techniques de Soil-Mixing
2.1 Soil-Mixing de surface
2.2 Soil-Mixing profond
2.2.1 Les techniques à malaxage global
2.2.2 Les techniques à malaxage localisé
2.2.3 Techniques de suivi de la qualité du malaxage
3 Constituants du matériau Soil-Mixing
3.1 Sols
3.1.1 Argilosité du sol
3.1.2 Influence de la granulométrie
3.1.3 Masse volumique du sol
3.1.4 Minéralogie
3.1.5 Teneur en eau naturelle
3.1.6 Les sols organiques
3.2 Liants utilisés
4 Réactions Eau-Sol-Liant
4.1 La chaux vive
4.2 Le ciment
5 Paramètres de réalisation influençant la résistance du matériau
5.1 Préparation du sol
5.2 Malaxage
5.2.1 Temps de malaxage
5.2.2 Energie de malaxage
5.3 Temps d’attente avant moulage
5.4 Méthodes de moulage
5.5 Conditions de cure
5.5.1 Influence de la température
5.5.2 Influence des conditions hydriques lors de la cure
5.6 Synthèse
5.7 Comparaisons chantier – laboratoire des résultats
6 Paramètres de nature et propriétés mécaniques du matériau Soil-Mixing
6.1 Floculation et teneur en eau
6.2 Evolution de la sensibilité à l’eau
6.3 Comportement à long terme
7 Conclusions
Chapitre 2. Techniques expérimentales
1 Introduction
2 Démarche
3 Matériaux
3.1 Choix des sols
3.2 Sols
3.2.1 Sables
3.2.2 Limons
3.2.3 Argiles
3.2.4 Sols mixtes
3.3 Liant utilisé
3.4 Choix des dosages
4 Programme expérimental
4.1 Influence des caractéristiques géotechniques du sol, du dosage en ciment et de la quantité d’eau
4.2 Impact de la méthode de préparation du sol mixte
4.3 Impact de la méthode de malaxage
4.4 Influence des conditions de cure
4.5 Etude de l’ouvrabilité du matériau Soil-Mixing
4.6 Essais de répétitivité et de répétabilité
5 Protocoles expérimentaux
5.1 Préparation des mélanges pour essais sur matériau induré
5.1.1 Préparation du sol
5.1.2 Réalisation du mélange
5.2 Moulage du mélange
5.2.1 Préparation des moules à éprouvettes
5.2.2 Moulage
5.3 Conservation des éprouvettes
5.4 Essais de compression simple
5.4.1 Préparation des éprouvettes
5.4.2 Matériel
5.4.3 Essais de compression
5.4.4 Résultats des essais
5.5 Essais d’ouvrabilité
5.5.1 Préparation des sols
5.5.2 Réalisation du mélange
5.5.3 Essai de pénétration au cône
6 Conclusions
Chapitre 3. Etude de la mise en œuvre du Soil-Mixing
1 Introduction
2 Retours d’expérience chantiers
2.1 Chantier de Vémars
2.1.1 But du chantier et technique de mise en œuvre
2.1.2 Situation géographique et types de sol rencontrés
2.1.3 Paramètres de chantier
2.1.4 Dosage en ciment
2.1.5 Essais d’affaissement et teneurs en eau
2.1.6 Paramètres machine
2.1.7 Essais de pénétration statique et dynamique
2.1.8 Etude du matériau chantier en laboratoire
2.2 Chantier de Fréjus
2.2.1 Présentation du chantier
2.2.2 Etude de sol
2.2.3 Réalisation des colonnes
2.2.4 Echantillonnage et programme d’essai
2.2.5 Résultats et observations
2.3 Conclusions
3 Ouvrabilité du matériau Soil-Mixing
3.1 Objectifs et démarche
3.2 Sols vierges et ciment pur
3.3 Mélanges sol naturel-ciment
3.3.1 Influence du dosage en ciment sur la limite de liquidité
3.3.2 Influence du dosage en ciment sur la sensibilité à l’eau
3.4 Mélanges sable-argile : influence de la fraction argileuse sur la limite d’ouvrabilité
3.5 Application au chantier
3.6 Conclusions
4 Etude de l’impact de la préparation du sol, de la méthode de malaxage et des conditions de cure
4.1 Objectifs et démarche
4.2 Influence de la méthode préparation du sol
4.2.1 Préparation du sol et réalisation des mélanges
4.2.2 Résultats et analyses
4.3 Influence du malaxage
4.4 Influence des conditions de cure
4.5 Conclusions
5 Conclusions générales
Chapitre 4. Etude Paramétrique
1 Introduction
2 Sols grenus
2.1 Résultats typiques
2.2 Répétitivité, répétabilité, reproductibilité et représentativité des résultats
2.3 Elasticité du matériau
2.4 Déformation à la rupture
2.5 Influence du dosage en ciment sur la résistance
2.6 Influence de la granulométrie sur la résistance et son développement
2.6.1 Cas des sables purs
2.6.2 Cas des mélanges à base de Silica Flour
2.7 Prédiction de la résistance à 28 jours d’un sol granulaire traité au ciment
2.8 Conclusions
3 Sols argileux
3.1 Résultats typiques
3.2 Représentativité et répétitivité des essais
3.3 Elasticité du matériau
3.4 Déformation à la rupture
3.5 Influence du dosage en ciment
3.6 Influence de l’eau
3.7 Conclusions
4 Mélanges sable-argile
4.1 Résultats typiques et influence de la quantité de fines
4.2 Influence du dosage en ciment sur la résistance
4.3 Elasticité du matériau
4.4 Déformation à la rupture
4.5 Conclusions
5 Synthèse des résultats
5.1 Elasticité du matériau
5.2 Déformation à la rupture
5.3 Influence des fines et de leur nature sur la résistance du matériau Soil-Mixing
5.3.1 Mélanges sable – Silica Flour et mélanges sable – kaolinite
5.3.2 Un mélange naturel : le limon
5.4 Dosage en ciment
5.5 Influence de l’eau
5.6 Abaques
Conclusions

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