Effet des opérations de compactage et de traitement sur les sols

Effet des opérations de compactage et de traitement sur les sols

Dans le domaine des techniques routières, les sols sont amenés à subir un certain nombre de traitements comme mentionné dans le GTR. Ils sont généralement compactés et peuvent subir un traitement à la chaux et/ou aux liants hydrauliques. Dans le cas des sols urbains, ces opérations peuvent entraîner une modification de leur microstructure, voire de leur capacité à retenir ou relarguer des polluants.

Effet du compactage sur les sols urbains

Effet du compactage du sol sur sa microstructure
Les sols urbains tout comme les différents sols rencontrés en techniques routières changent de microstructure lorsqu’ils subissent des opérations de compactage. Dès 1958, Lambe (1958) a montré que la microstructure d’une argile compactée change avec la modification de la teneur en eau de compactage. Un système de particules parallèles appelé système dispersé est généré quand on compacte à droite de l’optimum Proctor. Quand on compacte à gauche de l’optimum, un système floculé de particules apparaît.

Braden et Sides (1970) ont montré également que le compactage à une teneur en eau basse donne des granulats durs et peu déformables. Ceci donne une densité sèche basse et des macropores (création d’une structure ouverte). En augmentant la teneur en eau, les granulats deviennent de moins en moins durs, ce qui fait disparaître les macropores et par conséquent augmenter la densité (apparition d’une structure ouverte et à moitié orientée). Quand la teneur en eau est très élevée, la densité diminue car l’eau ne remplace pas facilement l’air piégé dans les pores et les particules argileuses s’orientent (apparition d’une structure orientée).

Effet du compactage sur le relargage en polluants
L’effet du compactage sur la granularité du matériau a été montré par Arulrajah et al. (2013) sur cinq types de matériaux de construction et de démolition (Figure 13). Ils ont montré que le compactage engendre une détérioration des matériaux. Ce phénomène est plus visible sur les briques et l’asphalte recyclé.

Galvin et al. (2014) ont montré dans la pratique que le compactage d’un sol tend à abaisser le relargage en sulfate et en chrome dans les granulats mixtes, tandis que ce relargage augmente dans les bétons. La même tendance est constatée pour les autres éléments mais ils ne sont pas représentés dans la publication. Les auteurs ont cherché les propriétés physiques des granulats après compactage pour tenter d’expliquer cette différence. Par un essai Los Angeles et un essai d’équivalent de sable, les auteurs ont montré que les granulats de béton ont une fragmentation très importante due à un composant particulier, le mortier (Sanchez et Alaejos, 2009). Cette fragmentation (qui peut avoir lieu lors des opérations de compactage) est à l’origine de la libération de quantité très importante de particules fines qui relarguent plus de polluants. Peters (1999) et Townsend et al. (2003) ont montré par ailleurs que le relargage en polluants est beaucoup plus important dans les fractions fines. Van der Sloot et al. (1996) ont émis l’hypothèse que la capacité polluante d’une particule est déterminée par la distance que doit parcourir un contaminant du centre de la particule jusqu’à la phase aqueuse. Plus la particule est petite, plus elle peut potentiellement relarguer des polluants, car elle possède une grande surface spécifique qui permet une dissolution accrue qui peut atteindre le cœur de la particule plus facilement que dans le cas des particules massives. Cette grande surface permet également de relarguer une quantité plus importante de polluants adsorbés.

Traitements des sols

Le traitement consiste à incorporer un liant dans le sol, dans le but d’améliorer ses propriétés physiques à court terme (sensibilité à l’eau et au gel ou sa plasticité), ou d’améliorer ses propriétés mécaniques à moyen et long termes. Ce procédé permet de valoriser des matériaux aux caractéristiques médiocres dans les domaines allant de la voirie légère aux infrastructures plus lourdes (autoroutes, LGV, aéroport…). La technique du traitement des sols en France est encadrée par une codification adaptée. Le guide de traitement des sols pour la réutilisation en remblai ou en couche de forme (GTS, SETRA/LCPC, 2000) liste l’ensemble des actions à réaliser en fonction de l’avancement des projets pour l’utilisation de ces matériaux.

Les produits de traitement et leurs actions sur les sols humides 

Il existe plusieurs produits aux propriétés liantes utilisés dans le traitement des sols en techniques routières. Les plus courants sont la chaux et les liants hydrauliques (utilisés séparément ou combinés). La chaux seule est généralement utilisée en petite quantité (~1% de matière sèche) pour une amélioration des performances à court terme. L’utilisation du ciment dans des volumes plus importants (~5%) permet une amélioration durable des performances mécaniques. Quand les sols présentent une activité argileuse importante, il est généralement nécessaire de coupler ces deux traitements.

La chaux
La chaux vive CaO provient de la calcination du carbonate de calcium à une température supérieure à 900°C. Cette opération se fait suivant l’Equation 1.3 (Lemaire, 2012).

CaCO3>CaO + CO2 1.3

L’ajout de chaux vive à un sol humide conduit à la formation d’oxyde de calcium (portlandite) suivant une réaction exothermique représentée par l’Équation 1.4. Une fois formée, la portlandite Ca(OH)2 peut être dissoute pour libérer des ions calcium Ca2+ et des ions hydroxyles OH- . Les ions OHaugmentent le pH du sol jusqu’à une valeur d’environ 12,4 qui correspond au pH d’une solution saturée en portlandite (Le Runigo, 2008).

CaO + H2O > Ca(OH)2 + 15,5 kJ/mol 1.4

Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 𝑂𝐻− 1.5

Lorsque le pH atteint cette valeur de 12,4, le milieu est favorable à la dissolution de la silice (SiO2) et de l’alumine (Al2O3) contenues dans le sol. Une fois en solution, ces deux espèces se combinent avec le calcium libéré par la chaux pour former des produits cimentaires de nature similaire avec ceux issus de l’hydratation du ciment (CSH ou CAH) mais qui restent néanmoins mal cristallisés et se présentent sous forme de gels (Le Runigo, 2008). Ces réactions sont appelées les réactions pouzzolaniques. Ingles (1970) suggère également que les réactions pouzzolaniques pourraient être initiées par la dissolution des contours des feuillets argileux en contact avec l’eau du sol. Il y aurait alors mise en solution de la silice, et, précipitation de CSH sur les bords des argiles. Ces réactions seraient, selon lui, poursuivies jusqu’à épuisement de l’eau contenue dans les pores. L’ajout de la chaux au sol a plusieurs effets, outre la formation d’hydrates cimentaires:

➤ La floculation des argiles : l’apport d’une grande quantité de Ca2+ par la chaux conduit à la réduction de la charge nette négative des argiles par un phénomène appelé dans la littérature anglophone « crowding effect » (effet de concentration) qui consiste en un amassement des ions calcium à la surface des particules argileuses. Cette réduction de la charge conduit à la diminution des forces de répulsions des particules argileuses et à la floculation des argiles (Le Runigo, 2008).
➤ La modification des propriétés du sol au compactage : les sols traités à la chaux présentent une densité à l’optimum Proctor plus faible que celle des sols naturels, et leur teneur en eau de compactage optimale est décalée vers des teneurs en eau plus fortes . Cette diminution de densité est attribuée à la réorganisation des particules argileuses causée par le phénomène de floculation/agrégation.

Le ciment
On retrouve plusieurs types de ciment normalisés allant de CEMI à CEMV dont la composition et la fonction sont définies par des normes dont la norme NF EN 197-1 (2001). Dans la présente étude, le ciment utilisé a été un CEMII. Ce ciment est composé de 65% à 95% de clinker. Le reste se compose de calcaire (autour de 10 %) et de gypse (CaSO4), et éventuellement de cendres volantes, de laitier de haut fourneau, de pouzzolane naturelle et/ou de fumée de silice.

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Table des matières

Introduction
1 Chapitre 1 : Bibliographie
1.1. Les sols urbains
1.1.1 Définition
1.1.2 Classification pédologique internationale des sols urbains
1.1.3 Panorama des sols urbains en France
1.1.4 Caractéristiques et composition d’un sol urbain
1.2. Utilisation des sols urbains dans le domaine routier
1.2.1 Cadre réglementaire, technique et environnemental
1.2.2 Quelques pratiques internationales
1.3. Effet des opérations de compactage et de traitement sur les sols
1.3.1 Effet du compactage sur les sols urbains
1.3.2 Traitements des sols
1.3.3 Interactions entre les liants et les éléments perturbateurs
1.4. Le transport des polluants dans les sols
1.4.1 Description du milieu poreux
1.4.2 Les processus physiques intervenant dans le transport des polluants
1.4.3 Les processus chimiques qui contrôlent le transport
1.5 Synthèse et conclusions du chapitre 1
2 Chapitre 2 : Matériel et méthodes
2.1. Origines des matériaux
2.1.1 Le sol de Boulogne Billancourt ou SBB
2.1.2 Le sol d’Ivry ou SI
2.2. Préparation des sols urbains testés
2.2.1. Séchage
2.2.2. Le criblage
2.2.3. L’homogénéisation
2.2.4. Conclusion sur la préparation des matériaux
2.3. Identification géotechnique des sols testés
2.3.1 Teneur en eau
2.3.2 Granularité des matériaux
2.3.3 L’activité argileuse du sol
2.3.4 Teneur en matière organique
2.3.5 Masse volumique des particules solides
2.4. Caractérisation chimique et minéralogique
2.4.1 Identification des composants du sol par un essai de tri
2.4.2 Analyses chimiques des matrices des sols urbains par fluorescence de rayons X
2.4.3 Analyses minéralogiques par diffraction de rayons X
2.4.4 Analyse chimique élémentaire en contenu total par ICP/OES
2.4.5 Analyse chimique élémentaire en contenu total : analyse complémentaire
2.5. Tests techniques pour valider une utilisation des sols urbains en techniques routières
2.5.1 Formulation des matériaux
2.5.2 Essai de compactage Proctor
2.5.3 Essai d’aptitude au traitement
2.5.4 Les essais mécaniques
2.6. Tests environnementaux pour valider une utilisation des sols urbains en techniques routières
2.6.1 Les essais de lixiviation
2.6.2 Essai de percolation
2.6.3 Développement d’un nouvel essai : essai d’immersion
2.7. Conclusion du chapitre 2
3 Chapitre 3 : Résultats de la caractérisation de deux sols urbains
3.1. Identification géotechnique des sols testés et essai de tri
3.1.1 Analyse granulométrique
3.1.2 L’activité argileuse du sol
3.1.3 Masse volumique des particules solides
3.1.4 Identification des composants du sol par un essai de tri (NF EN 933-11)
3.1.5 Teneur en matières volatiles assimilées à la matière organique des sols
3.1.6 Classes GTR associées aux sols testés
3.2. Caractérisation chimique des sols par fluorescence X et par ICP/OES
3.2.1. Analyse chimique des matrices totales et des fractions granulaires des sols
3.2.2. Analyse chimique des familles de composants du squelette granulaire
3.2.3. Conclusions sur les analyses chimiques élémentaires par XRF et ICP/OES
3.3. Méthode de quantification des familles d’artefacts dans les différentes fractions granulaires et la fraction totale des sols
3.3.1 Méthodologie
3.3.2 Détermination des valeurs extrêmes dans les jeux de mesures
3.3.3 Résultats de la régression linéaire
3.3.4 Conclusions de l’approche par régression
3.4. Analyses minéralogiques par diffraction de rayons X : identification et quantification
3.4.1 Analyse minéralogique des matrices totales
3.4.2 Minéralogie des fractions granulométriques
3.4.3 Minéralogie des composantes du sol issues du tri
3.4.4 Phases amorphes et matière organique dans les sols urbains
3.4.5 Conclusion de l’approche minéralogique
3.5. Conclusion sur la caractérisation chimique et minéralogique des sols testés
4 Chapitre 4 : Utilisation dans le domaine routier
4.1. Les performances mécaniques des sols urbains
4.1.1 Caractéristiques des sols traités au compactage
4.1.2 Essai d’aptitude au traitement
4.1.3 Détermination de la résistance en compression simple
4.1.4 Résistance au gel et performances escomptables à long terme : détermination de la résistance à la traction indirecte Rit
4.1.5 Conclusions sur les performances mécaniques
4.2. Étude par lixiviation de l’impact environnemental des sols urbains pour une valorisation en techniques routières
4.2.1. Essai de lixiviation suivant la norme NF EN 12457-2 (2009)
4.2.2. Essai de lixiviation en faisant varier les paramètres de l’expérimentation
4.2.3. Conclusions des essais de lixiviation
4.3. Étude par percolation de l’impact environnemental des sols urbains pour une valorisation en techniques routières
4.3.1. Caractéristiques des sols compactés/ traités mis en percolation
4.3.2 Évolution du coefficient de perméabilité des éprouvettes testées
4.3.3 Évolution du pH et la conductivité hydraulique des percolats des deux sols testés
4.3.4 Relargage en éléments chimiques au cours des percolations
4.3.5 Comparaison entre lixiviation et percolation sur le sol de Boulogne
4.3.6 Conclusions sur les essais de percolation
4.4. Essai d’immersion
Conclusion générale

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