azouz

Faculté des Sciences de l’Ingénieur Département de Génie Civil

CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA STABILISATION

CHIMIQUE DE QUELQUES ARGILES GONFLANTES DE LA

REGION DE TLEMCEN

MÉMOIRE DE MAGISTER

Discipline : Génie civil Spécialité : Mécanique des Sols et Géotechnique

Présenté Et soutenu publiquement par

M elle : Fatima Zohra AZZOUZ

Le 2006, devant le jury ci-dessous

Président : Mr. F. GHOMARI Maître de conférences. Encadreur : Mr. A. BEKKOUCHE Maître de conférences. Examinateurs : Mr.L .LARABI Maître de conférences.

Mr. Y. HAREK Maître de conférences. Mr. SM. AISSA MAMOUNE Maître Assistant.

Laboratoire : Eaux et Ouvrages dans Leur Environnement.

Remerciements

Mes premiers remerciements vont à mon directeur de ce mémoire Monsieur BEKKOUCHE qui m’a témoigné son soutien et sa confiance et qui m’a prodigué un enseignement toujours judicieux et rigoureux durant toutes les phases du mémoire.Qu’il trouve ici l’expression de ma sincère gratitude.

J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur F. GHOMARI, Enseignant maître de conférences université de Tlemcen qui m’a fait l’honneur de présider mon jury.

Je tiens également à adresser mes vifs remerciements à Monsieur LARABI, Enseignant maître de conférences au département chimie université de Tlemcen, Monsieur HARAK, Enseignant maître de conférences au département chimie université de Tlemcen, Monsieur S.M. AISSA MAMOUNE maître assistant au département Génie civil université du Tlemcen d’avoir accepter d’examiner ce mémoire.

J’exprime mes vifs remerciements a Monsieur LARABI, (E.M.C), et Monsieur

HARAK, (E.M.C), pour leurs précieux aides et conseils dans la dernière phase de cette recherche. Aussi à Monsieur S.M. AISSA MAMOUNE (M.A) pour leurs aide et conseils tout au long de mon travail.

Je remercie tout le personnel du Laboratoire des Travaux Publics d’Ouest

(unité de Tlemcen LTPO) pour leur accueil et aide pendant mon travail. Je voudrais aussi adresser mes sincères remerciements à Monsieur RUISSET

T. et à Monsieur ZENDAGUI et à Monsieur ZADJAOUI pour le soutien moral.

Je voudrais aussi adresser mes sincères remerciements au personnel et aux techniciens du laboratoire de mécanique des sols qui m’ont aidée et soutenue, je les remercie très sincèrement pour leur patience.

Je remercie vivement mon futur mari pour sa patience, son soutien moral et sa

confiance le long de ma formation magistrale. Enfin, je ne saurais oublier de remercie tous ceux qui m’ont été d’un soutien

qu'il soit moral ou matériel. Enfin tout à fait enfin je tiens à adresser mes sincères remerciements ainsi

que ma gratitude la plus dévouée à mes deux étoiles scintillantes (mes parents)-que le Bon Dieu me les garde aussi longtemps -pour leur dévouement et surtout pour leur amour et le sacrifice qu'ils m'ont accordés.A mes frères et sœurs pour leur soutien .Et pour conclure à toute personne ayant contribué de loin ou de près à mon éducation et ma formation.

République Algérienne Démocratique et Populaire

Université Aboubekr Belkaid - Tlemcen

Faculté des Sciences de l’Ingénieur

Tlemcen, le 16 Septembre 2006

A l’attention de Monsieur GHOMARI F.

Cher Monsieur,

Je tiens à vous présenter tous mes remerciements et toute ma gratitude d’avoir bien voulu

présider le jury du présent mémoire qui rentre dans le cadre de l’obtention du diplôme de

Magister en Génie Civil, intitulé : " CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA

STABILISATION CHIMIQUE DE QUELQUES ARGILES GONFLANTES DE LA

REGION DE TLEMCEN ".

Dans l’attente de votre rapport d’examination, je vous prie de croire, cher ami, à l’assurance

de mes sentiments respectueux.

BEKKOUCHE Abdelmalek

République Algérienne Démocratique et Populaire

Université Aboubekr Belkaid - Tlemcen

Faculté des Sciences de l’Ingénieur

AUTORISATION DE SOUTENANCE

Nous soussigné, Mr. BEKKOUCHE Abdelmalek (Maître de Conférence, Université

Abou Bekr Belkaïd, Tlemcen), autorise Melle. AZZOUZ Fatima Zohra à soutenir son mémoire

de Magister option «mécanique des sols- Géotechnique» intitulé :

Contribution a l’étude de la stabilisation chimique de quelques

argiles gonflantes de la région de Tlemcen

Par ailleurs, le comité scientifique réuni le 14-09-2006 a proposé les membres de jury

suivant :

Président de jury

Mr F.GHOMARI Maître de conférences ((Université de Tlemcen)

Examinateurs

Mr L. Larabi Maître de conférences (Université de Tlemcen)

Mr Y. Harek Maître de conférences (Université de Tlemcen)

Mr S.M. Aissa mamoune Maître Assistants (Université de Tlemcen)

BEKKOUCHE Abdelmalek

Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur Environnement

Soutenance de Magister Intitulé

CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA STABILISATION CHIMIQUE DE QUELQUES ARGILES GONFLANTES DE LA

REGION DE TLEMCEN

Le Jeudi 30 Juin à 9h (Nouvel Amphithéâtre)

Présenté par : Melle AZZOUZ Fatima Zohra

Devant le Jury Composé de :

Mr F. GHOMARI Président (Univ. Tlemcen) Mr A. BEKKOUCHE Encadreur (Univ. Tlemcen) Mr L.LARABI Examinateur (Univ. Tlemcen) Mr Y.HAREK Examinateur (Univ. Tlemcen) Mr SM.AISSA MAMOUNE Examinateur (Univ. Tlemcen)

UNIVERSITE ABOUBEKR BELKAID - TLEMCEN FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR

Département de Génie Civil

LISTES DES SYMBOLES

LETRES LATINES

ag : L’anisotropie du gonflement

Ah : la constante de Hamaker

ap : L’anisotropie de la pression de gonflement.

ap : L’activité chimique de l’eau des pores.

ar : D’activité relative

B : le temps du demi-gonflement.

C = concentration saline

CEC : la capacité d’échange cationique

CEi : La capacité d'échange des sites de type i

Cg : Le coefficient de gonflants

Cc : L’indice de compressibilité

Dh : étant le gonflement radial

F : la constante de Faraday

f : Le coefficient d'activité d'une espèce adsorbée (généralement pris égal à 1)

FR(d) : La résultante des forces au centre de deux feuillets

E : le module de Young.

e : La charge d’un électron

G : le taux de gonflement maximal pour un temps infini.

H : Hauteur

H DC : L’épaisseur de la double couche diffuse

Hr : l’humidité relative initiale

i : une direction,

I : La concentration de l'espèce I adsorbée ou en solution

IP : indice de plasticité.

IR : indice de retrait.

K : l’indice de gonflement

K b est la constante de Boltzmann

kh : Constante

Kad et Kds : les coefficients d’adsorption et de désorption

N : nombre d'Avogadro

ni : Le nombre d’ion/m3

Nf : La et le nombre de feuillets argileux.

Pc : la pression capillaire

p0 : la pression de surconsolidation,

Pmax : la pression du gonflement maximale.

Pw : la pression de la boue de forage.

S : la surface spécifique

Sf : surface d’un feuillet

s0 : un paramètre de surconsolidation lié à la succion

Smax : l’humidité sur le gonflement libre maximal

SM : le gonflement maximum de la première phase

S.S.T : La surface spécifique.

T : La température

t0 : un temps de référence

u : la tension de surface eau air

ua : la pressions d’air

uw : la pressions d’eau,

VB: Valeur du bleu

Vs : le volume des particules solides,

W0 : Teneur en eau initiale WL : limite de liquidité

Wn : Teneur en eau naturelle WP : limite de plasticité

WR : limite de retrait

Xi : Le nombre de sites d'échange.

zi : La charge de l'ion i.

LETRES GREQUES

ua : La pressions d’air

uw : La pressions d’eau,

u : La tension de surface eau air

H∆ : Gonflement total

∆ : ensemble de décision s possibles

χ : parametre exprimant la part de la contrainte totale reprise par le fluide interstitiel

tψ : Succion totale

oψ : La succion osmotique

mψ : La succion matricielle

∞iγ : La concentration de l'ion i dans le réservoir

ζ : Potentiel zéta

∏r: Force de répulsion,

∏a : Force d’attraction de Van der

∏h: Force d’hydratation.

λ : Constante varie de 0.6.10-9 à 2.10-9 m ,

γs : Densité spécifique γd : Densité sèche γh : Densité humide

π∆ : La pression osmotique.

βµ : Le potentiel chimique de l’espèce ionique β .

βw : Le coefficient osmotique de l’espèce ionique β .

βe : La charge électrique de l’espèce ionique β ,

gε : La pression de gonflement.

mσ La contrainte moyenne.

gII ε : Les premiers invariants des déformations.

gII σ : Les premiers invariants des contraintes.

ν : Le coefficient de Poisson.

gε : Le tenseur du gonflement.

σ : Le tenseur des contraintes totales,

gσ : Le tenseur des pressions de gonflement,

β : Le tenseur d’anisotropie.

aβ : Le paramètre permet d’étudier le caractère anisotrope de gonflement.

giε : Le gonflement,

giσ : La pression de gonflement

aσ et 0σ sont respectivement le gonflement axial.

xσ , yσ zσ : Contraintes principales.

xy*σ et xz

*σ . : Contraintes virtuelles.

TSiR : Le coefficient de réduction du gonflement suivant une direction i.

cσ : Une pression de référence.

ijR : Le coefficient de réduction du gonflement suivant la direction i due à une

contrainte suivant la direction j et *ijσ est la contrainte virtuelle appliquée suivant la

direction i.

γ : Le coefficient d'activité d'une espèce en solution

σ La densité spécifique

vε : désigne la déformation verticale,

SM : Le gonflement maximum de la première phase (%)

sσ : La contrainte de service

0vσ : La contrainte des poids des terres

LISTE DES FIGURES

Figure. 1.1 : Soulèvement puis dislocation du radier d’un tunnel……………………………06

Figure. 1.2 : Les trois barrières de protection selon l’ANDRA Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs………………………………………………………………07

Figure 1.3 : Structure de la montmorillonite………………………………………………….09

Figure. 1.4 : Ouverture des fissures en proximité des matériaux rigides……………………..13

Figure 1.5 : Photographies au Microscope Electronique à Balayage des argiles…………….13

Figure 1.6: Représentation schématique de la double couche électrique et de l’évolution du potentiel électrique en fonction de la distance de la particule à la solution…………………..17

Figure1.7 : potentiel d’interaction en fonction de la distance entre particules……………….18

Figure. 1.8 : Force électrostatiques dans la double couche…………………………………...20

Figure. 1.9 : Répartition des ions autour d’une particule chargée……………………………20

Figure. 1.10 : Phénomène osmotique idéal…………………………………………………...21

Figure 1.11 : Effet de la teneur en eau initiale sur le comportement du gonflement avec la technique du gonflement libre………………..……………………………………………….27

Figure 1.12 : potentiel de gonflement en fonction de la teneur en eau initiale……………….27

Figure 1.13 : Variation de la pression de gonflement en fonction de teneur en eau initiale …28

Figure 1.14 : potentiel de gonflement en fonction de la densité initiale……………………...30

Figure 1.15 : Influence de la hauteur initiale sur le gonflement……………………………...31

Figure 1.16 : le potentiel du gonflement en fonction du comportement cyclique(gonflement/retrait)selon des différents chercheurs………………………………...33

Figure 1.17 : Potentiel maximum du gonflement et avec le nombre des cycles pour le retrait partiel…………………………………………………………………………………………33

Figure 1.18 : Potentiel maximum du gonflement et avec le nombre des cycles pour le retrait total……………………………………………………………………………………………33

Figure 1.19 : Pression du gonflement et avec le nombre des cycles pour le retrait partiel…...34

Figure 1.20 : Pression du gonflement et avec le nombre des cycles pour le retrait total……..34

Figure 1.21 : Changement de l’onde de la vitesse ultrasonique avec le nombre des cycles pour le retrait partiel et total………………………………………………………………………..34

Figure 1.22 : Variation de indice de vide avec le nombre des cycles pour le retrait partiel et total……………………………………………………………………………………………34

Figure 1.23 : Variation de H / H (soulèvement unitaire) en fonction de la profondeur………35

Figure 1.24 : Diagramme comparatif « pression de gonflement – diffusion de contrainte »…………………………………………………………………………………………….....35

Figure. 1.24 : Différents modes de compaction………………………………………..……..37

5

Figure 2.1 : Modèle de Gouy-Chapman……………………………………………………...40

Figure 2.2 : Modèle de Stern………………………………………………………………….41

Figure 2.3 : Modèle triple couche…………………………………………………………...41

Figure. 2.4 : Forces microscopiques………………………………………………………….47

Figure. 2.5 : Surfaces de charge sous chargement isotrope…………………………………..51

Figure 2.6. : a: Complexe de sphère interne, ). b: Complexe de sphère externe……………..59 Figure 3.1 : Conditions d’utilisation de la stabilisation Chimique……………..…………….64

Figure 3.1 : Variation d’indice de plasticité en ajout de la chaux………………...…………..65

Figure 3.2 : Influence de la chaux sur les caractéristiques de compactage…………..……….65

Figure 3.3: La pression de gonflement en fonction % de sulfate de calcium………..………67

Figure 3.4: limites consistance du pour deux types de du sol en en fonction % de sulfate de calcium………………………………………………………………………………………..67

Figure 3.5: variation de % de gonflement en fonction du temps de sol non traité et du sol traité par la boue de la chaux à la distance radiale de 1,5d……………….………………………...68

Figure 3.6 : variation de % de gonflement en fonction du temps de sol non traité et du sol traité par la boue de la chaux à la distance radiale de 0,9d…………………………………...68

Figure 3.7: La variation de potentiel du gonflement avec le nombre des cycles pour Sol A non traité et traité……………...…………………………………………………………………..69

Figure 3.8 : La variation de pression gonflement avec le nombre des cycles pour Sol A non traité et traité………………………………………………………………………………….69

Figure 3.9: La variation de potentiel du gonflement avec le nombre des cycles pour Sol B non traité et traité………………………………………...………………………………………..69

Figure 3.10: La variation de pression gonflement avec le nombre des cycles pour Sol B non traité et traité………………………………………………………………………………….69

Figure 3.11: La variation de potentiel du gonflement avec le nombre des cycles pour Sol C non traité et traité……………………………………………………………………………..69

Figure 3.12 : La variation de pression gonflement avec le nombre des cycles pour Sol C non traité et traité……………………………………………………………………………...…..69

Figure 3.14. La variation du potentiel du gonflement en fonction des pourcentages des cendres volcanique et du temps, pour des sols de Degirmenlik et de Tuzla…………………71

Figure 3.15: Effet des cendres volantes et du temps traitant sur les valeurs de pression de gonflement des sols de Degirmenlik et de Tuzla……………………………………………..71

Figure 3.16. Capacité d'échange cationique, valeurs de CEC des cendres volantes traitées Sols ………………………………………………………………………………………………...72

Figure 3.17: essai à l’oedomètre à double plateau pour tester deux échantillons riche en sodium sec…………………………………………………………………………………….75

Figure 3.18: Influence des cations adsorbés sur potentiel gonflement / d'effondrement……..75

Figure 3.19: Influence des solutions de cation de mouillage sur potentiel gonflement……....76

6

Figure 3.20: influence des solutions de cation de mouillage sur potentiel gonflement t d'effondrement des échantillons secs de riches de calcium…………………………………..76

Figure 3.21: Influence des cations adsorbés sur la compressibilité des échantillons saturés. ………………………………………………………………………………………………...76

Figure 3.22: Influence des cations adsorbés sur la compressibilité des échantillons saturés. ………………………………………………………………………………………………...76

Figure 3.23: Microstructure de texture d'argile comme affectée par la composition en solution (électrolyte)…………………………………………………………………………..……….78

Figure 3.24: Diminution de la limite de liquidité de la bentonite en fonction de la concentration des cations monovalents………………………………………………………78

Figure 3.25 : Influence de la valence des cations sur le gonflement……..…………………..79

Figure 3.26 : Gonflement et pH pour l’eau du robinet…………………………………..…...80

Figure 3.27: Gonflement et pH pour une solution de 1 M NaCl……………………...……...80

Figure.4.1 : La carte géologique du groupement Tlemcen, Mansorah et Chetouane...………85

Figure.4.2 : La courbe analyse granulométrique de notre sol…………………...……………86

Figure 4.3 : Diagramme de classification du potentiel de gonflement …………………...….87

Figure 4.4 : Caractérisation des sols gonflants…………………………………………...…..89

Figure.4.5 : La consistance d'un sol…………………………………...……………………...90

Figure.4.6 : L’effet de sel sur la limite de liquidité d’après………………………….……….91

Figure.4.7 : Correction de l’effet du sel sur la limite de liquidité …………..……….……….91

Figure 4.8 : Limite de liquidité par différentes concentrations salines pour la argile de Mansourah …………………………………………………………...………………………92

Figure 4.9 : Indice de plasticité par différentes concentrations salines pour la argile de Mansourah………………………………………...………………………………………….92

Figure 4.10 : Limite de liquidité par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia………………………………………………………………………………………93

Figure 4.11 : Indice de plasticité par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia………………………………………………………………………………………93

Figure 4.12. Dosage de l'essai de bleu ……………………………………………………… 96

Figure.4.12 : Essai de proctor normale theorique…………………………………………...101

Figure.4.13: Essai de proctor normale pour l’argile de Maghnia et de Mansourah…………………………………………………………………………………...102

Figure 4.14 : Courbe de compressibilité des sols gonflants et rétractables……………...….104

Figure 4.15 : Courbe oedométrique de l’argile Mansourah………………...……………….105

Figure4.16 : Courbe oedométrique l’argile de Maghnia…………………………………….105

Figure 5.1 : Courbe de gonflement en fonction du temps…………………………...………109

Figure 5.2 : des différentes phases de l’évolution du gonflement……………………..……110

7

Figure 5.3 : (a), (b) et (c) Evolution du gonflement pour déférents sols compactés par trois énergies diverses de compactage; (d) Diagramme schématique montrant la séparation du gonflement initial, primaire, et secondaire…………………………………………………..111

Figure 5.4 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence eau distillé pour l’argile compacter de Maghnia, l’argile intacte et remanier de Mansourah………………...115

Figure 5.5 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah……………………………..118

Figure 5.6 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah………………………………...………..119

Figure 5.7: Variation de gonflement en fonction du temps en présence du KCL par différentes concentrations salines pour l’argile compactée de Maghia…………………………...…...120

Figure 5.8 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia…………………….121

Figure 5.9 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia……………………..122

Figure 5.10 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia……………………..123

Figure 5.11 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia…………………….124

Figure 5.12 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia……………………..125

Figure 5.13 : cinétique de gonflement en présence du cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah………………………………………………...………..130

Figure 5.14 : cinétique de gonflement en présence a état naturel s pour différent type l’argile de Mansourah……………………...…………………………………………………….…..131

Figure 5.15: cinétique de gonflement en présence de l’eau pour quelques l’argile de Tlemcen a différents état initial……………………………….…………………..………....………..132

Figure 5.16: cinétique de gonflement en présence de l’eau pour quelques argiles de intacte de Mansourah…………………………………………………………………………….……..132

Figure 5.17: cinétique de gonflement en présence de l’eau pour quelques l’argile de remanie de Imama……………………………………………………………………………..……...132

Figure 5.18 : Cinétique de gonflement en présence du KCL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia………………………………………………...134

Figure 5.19 : Cinétique de gonflement en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia……………………………….………………..135

Figure 5.20 : Cinétique de gonflement en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia………………………………………………...136

Figure 5.21 : Cinétique de gonflement en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia………………………………………………...137

Figure 5.22 : Cinétique de gonflement en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia………………………………………………...138

8

Figure 5.23 : Cinétique de gonflement en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia………………………………………………...139

Figure 5.24 : Argile compacter de Maghnia en présence du KCL……………..….………..140

Figure 5.25 : Argile compacter de Maghnia en présence du NACL…………….………...140

Figure 5.26 : Argile compacter de Maghnia en présence du NH4CL………………...…...140

Figure 5.27 : Argile compacter de Maghnia en présence du MgCl2…………………...…140

Figure 5.28 : Argile compacter de Maghnia en présence du CaCl2………………...…….141

Figure 5.29 : Argile compacter de Maghnia en présence du AlCl3……………………...….141

Figure 5.30 : Argile compacter de Mansourah en présence du CaCl2………………...……141

Figure 5.31 : Argile compacter de Mansourah en présence du NACL…………………..…141

Figure 6.1 : Schéma d’un essai de gonflement selon la méthode A de la norme ASTM-D...148

Figure 6.2 : Courbe oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D 4546 -pour différentes argiles de la région de Tlemcen a état naturel……………………150

Figure 6.3 : Courbe oedométrique de gonflement selon la méthode de LCPC avec variation de volume en état naturel pour l’argile de Tlemcen ………………………………………...153

Figure 6.4 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Maghnia…………………...…...156

Figure 6.5 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Mansourah………………………..156

Figure 6.6 : Action chlorure de potassium pour l’argile de Maghnia……………………..157

Figure 6.7 : Action chlorure d’ammonium pour l’argile de Maghnia…………………...….158

Figure 6.6 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Maghnia…………………...……..159

Figure 6.7 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Maghnia…………………...……..159

Figure 6.9 : Réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure de. Magnésium…………………………………………………………………………………..160

Figure 6.10 : Réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure d’aluminium…………………………………………………………………………………161

Figure 6.11 : Influence de la valence des cations sur le gonflement……………………...162

Figure 6.12 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence de l’eau distillé et par une solution saline du Nacl de la concentration de 0,05 mole/l pour l’argile compacter de Maghnia……………………………………………………………………………………..163

Figure 6.13 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence de l’eau distillé et par une solution saline du Nacl de la concentration de 0,05 mole/l pour l’argile remaniée de Mansourah…………………………………………………………………………...………163

Figure 6.14 :Variation de gonflement en fonction du temps en présence de l’eau distillé et par déffirentes solutions salines de une seul concentration de 0,5 mole/l pour l’argile compacter de Maghnia…………………………………………………………………………………..164

Figure 6.15 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence de l’eau distillé et par déffirentes solutions salines de une seul concentration de 2 mole/l pour l’argile compacter de Maghnia………………………………………………………………………..……………165

9

Figure 6.16 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Kcl par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia……………………………………………………………………………………..166

Figure 6.17 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia…………………………………………………………………………………..167

Figure 6.18 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia……………………………………………………………………………………..168

Figure 6.19 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia……………………………………………………………………………………..169

Figure 6.20 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia……………………………………………………………………………………..170

Figure 6.21 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia…………………………………………………………..…………………………171

Figure 6.22 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah…………………………………………………………………………………...173

Figure 6.23 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah…………………………………………………………………………………...174

LISTE DES TABLEAUX

Tableau1.1 : Schéma simplifié montrant la classification des principaux groupes de minéraux argileux et de leurs espèces…………………………………………………………………...10

Tableau 1.2 : Caractéristiques des argiles…………………………………………………….12

Tableau 1.3 : Capacités d’échange des cations de quelques argiles………………………….25

Tableau 1.4 : Surfaces spécifiques de quelques minéraux argileux…………………………..26

Tableau 1.5 : taux de gonflement et la pression de gonflement pour plusieurs type du sol à différentes énergies de compactage…………………………………….…………………….27

Tableau 3.1: Mécanismes de la stabilisation par ciment des sols argileux……………….......70

Tableau 3.2 : Activité et gonflement pour des solutions salines de normalité 1 selon…….....79

Tableau 4.1 : Relation entre le gonflement libre et l’indice de plasticité……………...……..88

Tableau 4.2 : Classification proposée…………………………………………………...……89

Tableau 4.3 : Relation entre potentiel de gonflement et limite de retrait……………………..89

Tableau 4.4 : Relation entre potentiel de gonflement et indice de retrait…………………...…..90

Tableau 4.5: Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence de l’eau….94

Tableau 4.6: Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence des solutions saline pour l argile de Maghnia……………………………………………………………….94

Tableau 4.7: Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence des solutions saline pour l argile de Mansourah………………………………………………………...…..95

Tableau 4.8: Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence de solutions salines pour l argile de Mansourah…………………………………………………………...95

Tableau 4.9 : valeur de bleu de quelques sols……………………………………..………….97

Tableau 4.10 : Teneur en CaCO3 de quelques sols……………………………...…………...98

Tableau 4.11: différentes classification .du potentiel du gonflement et de retrait par les méthode indirecte……………………………………………………………………………..99

Tableau 4.12 : Expressions mathématiques des modèles de prévision du gonflement……...100

Tableau 4.13 : Relation entre la nature du sol et le coefficient de compressibilité………....104

Tableau 4.14 : La valeur de la CEC…………………………………………………………106

Tableau 4.15 : La valeur de la densité spécifique……………...……………………………107

Tableau 5.1 Des paramètres de la cinétique de gonflement en présence de différentes solutions salines a plusieurs concentrations pour l’argile Maghnia……………………………...……142

Tableau 5.2 Des paramètres de la cinétique de gonflement en présence de différentes solutions salines a plusieurs concentrations pour l’argile de Mansourah……………………………...143

Tableau 6.1 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia et Mansourah en présence du chlorure de sodium……………………………………………...………………………..156

Tableau 6.2 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure de potassium pour l’argile …………………………………………..………………………….157

Tableau 6.3 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure d’ammonium………………………………………………………………………………...158

Tableau 6.4 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia et Mansourah en présence du chlorure de Calcium……………………...………………………………………………159

Tableau 6.5 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure de Magnésium…………………………………………………………………………..…...160

Tableau 6.6 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure de Magnésium………………………………………………………………….……………161

Tableau 6.7 : La taille de différentes type cations…………………………………………..162

Tableau 6.8 : Pression de gonflement et variation relatives des pressions de gonflement en présence de différences solutions salines à plusieurs concentrations……………………….175

RESUME

Plusieurs furent les études effectuées sur le phénomène du gonflement des sols, ce phénomène qui reste à non maîtrisable, provoque des grands dégâts à travers le monde, et les études qui ont été menées ; même à présent ; ont pour but d’atténuer intensité de ces dégâts, et ce en comprenant le comportement des sols expansifs et en maîtrisant les facteurs qui pourraient influencer ce comportement.

Une étude bibliographique a été menée, pour recueillir le maximum des informations qui concerne le phénomène du gonflement des argiles, ainsi que une présentation de quelques résultats bibliographiques sur les facteurs influence le potentiel de gonflement et sur la cinétique du gonflement.

En citons les différentes techniques de la stabilisation des argiles ainsi que une présentation de quelques résultats bibliographiques sur la stabilisation du gonflement.

Ensuite, une caractérisation des matériaux utilisés était effectuée à la base de l’étude Bibliographique, il s’agit des essais géotechniques mécaniques standard, en plus des chimiques. Cette étude a été réalisée sur des sols provenant de deux sites (Maghnia et Mansourah) situé a proximité de la ville de Tlemcen.

On conclu nos travail par une étude expérimentale a porté sur l’effet des différents sels à différentes concentrations sur le taux et la pression du gonflement afin de déduire une méthode pratique simple, économique et efficace de minimisé le phénomène du gonflement.

Mots clés : argiles gonflantes, identification, gonflement, pression de gonflement, stabilisation chimique,

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INTRODUCTION GENERALE

Le gonflement des formations argileuses suscite actuellement l’intérêt de la plupart des chercheurs du fait de leur abondance dans le domaine sédimentaire et de leur responsabilité des désordres occasionnés sur différents ouvrages (tunnels, mines, cavités de stockage, forages pétroliers…). En effet, des chercheurs réalisent de nombreux essais au laboratoire et ce à travers le monde, ce qui justifie justement l'abondance de ce phénomène dans la nature.Ce phénomène est causé par la présence des charges électriques sur la surface et surtout l’échangeabilité des cations interfoliaires.

Ces derniers, appelés aussi cations compensateurs, sont les principaux éléments responsables de l’hydratation, du gonflement, de la plasticité et de la thixotropie, et ils confèrent à ces argiles des propriétés hydrophiles. Par exemple, lorsque la roche est mise en contact avec l’eau ou avec une solution saline, on observe qu’elle réagit soit par gonflement si elle n’est pas saturée initialement et si elle présente un déficit en charge négative, soit par retrait si la roche est initialement saturée et mise en contact avec une solution plus concentrée que l’eau des pores.

Le problème de gonflement est rencontré dans beaucoup de pays tel que : l’Afrique du Sud, l’Algérie, l’Arabie Saoudite, l’Australie, le Brésil, le Canada, la chine, l’Espagne, l’Ethiopie, l’Egypte, l’Inde, la Jordanie, le Maroc, le Mexique, la Mauritanie, la Palestine, la Roumanie, le Soudan, la Turquie, l’U.S.A, et le Venezuela. L’analyse des résultats obtenus en 1978 par la Fondation Nationale de Science, Chen cité par [11] a noté que 10% de la population mondiale, risque d’être affectée par les dommages associés aux sols gonflants, et qu’aucun état n’est à l’abri des conséquences et des préjudices susceptibles d’en résulter.

Aux U.S.A, le coût des pertes annuelles occasionnés par le gonflement à été évalué à 2.3 milliards de dollars en 1973, de 7 à 9 milliards de dollars en 1986. En France le montant à été estimé à 2.3 milliard de dollars entre 1989 et 1992 [5].

En Algérie, plusieurs cas de désordres très préjudiciables, liés au gonflement, ont été signalés dans plusieurs régions : la raffinerie de In Amenas, l’hôpital de N’Gaous (Batna), la ligne de chemin de fer Ramdane Djamel (Jijel), l’hôpital de Sidi Chahmi et la briqueterie de Mers El Kébir (Oran) HACHICHI et foureau. Groupement de Tlemcen-Mansourah- Chetouane (Bekkouche et al.2001).

La stabilisation des sols argileux a été étudiée par un grand nombre de chercheurs. Beaucoup de méthodes et d'appareillages ont été mis au point, pour

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connaître l'influence de l'efficacité d'une solution ou d'un produit sur la stabilisation d'un sol argileux. Quelques exemples sont cités concernant l'utilisation de produits chimiques servant à la stabilisation des sols argileux.

Rappelons que l’oedomètre est l’appareil classique le plus utilisé dans les laboratoires de géotechnique pour les études de gonflement. Cependant, les procédures et les normes d’essais différents, rendent les comparaisons délicates. L’estimation des caractéristiques du gonflement nécessite la disposition d’essais standards, à la fois simples, bien adaptés et surtout fiables.

La problématique de ce mémoire est donc d’étudier la réponse des sols argileux en contact avec une solution saline d’où sortirait l’idée de la stabilisation des argiles comme axe principale de ma recherche.

D’une manière générale, la démarche suivie dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre d’une étude expérimentale mais elle est également, dans une moindre mesure, théorique. Pour plus de clarté, le plan de ce mémoire est organisé en six chapitres répartis en deux parties avec des annexes y afférents.

La première partie est introductive et bibliographique. Elle est constituée de troisq chapitres. Le premier chapitre consiste à décrire le cadre général de l’impact du gonflement sur les ouvrages en géotechnique pour en préciser les désordres rencontrés et l’importance d’étudier de tels phénomènes. ainsi présente une approche générale du gonflement, c’est-à-dire les différents facteurs qui l'induisent.

Ensuite, une étude bibliographique en mentionnant l’état d’avancement des recherches dans le domaine de la caractérisation des sols gonflants.

Le deuxième chapitre s’attarde sur la présentation des diverses approches traduisant les différents mécanismes du gonflement par des expressions analytiques.

Pour clore cette première partie, le troisième chapitre présente une étude bibliographique en mentionnant l’état d’avancement des recherches dans le domaine de la stabilisation des sols gonflants.

La deuxième partie est uniquement expérimentale. Elle est composée de trois chapitres (4, 5 et 6).

Dans le quatrième chapitre nous caractérisons dans une première étape nos matériaux par des analyses minéralogiques et chimiques pour identifier les minéraux argileux susceptibles de provoquer des déformations volumiques importantes (notamment la montmorillonite) et par des essais d’identification classiques (limites d’ATTERBERG, granulométrie, valeur de bleu…).Ces essais sont complétés par des mesures directes de gonflement et de pression de gonflement.

Le cinquième chapitre présente une étude bibliographique en mentionnant l’état d’avancement des recherches dans le domaine de la cinétique de gonflants des

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argiles gonflantes avec les résultats que nous avons trouvés concernant l’évolution de la cinétique de gonflement pour nos argiles.

Le chapitre six porte sur l’effet de différents sels et de leurs concentrations sur le gonflement afin d’en déduire d’une part des solutions susceptibles d’inhiber le gonflement, et d’autre part de ne retenir que celles qui nous donnent un phénomène irréversible de ce dernier.

Une conclusion générale est donnée en fin de mémoire.

CHAPITRE I

A U T O U R D U P H E N O M E N E D U G O N F L E M E N T

1 . I N T R O D U C T I O N 0

Le terme d’ argiles désigne non seulement une formation rocheuse et la matière première qui en résulte et dont les caractéristiques sont présentées ci-après, mais il définit aussi un domaine granulométrique comprenant des particules minérales, dont le diamètre des grains est inférieur à deux micromètres (< 2 µm).

En tant que matière première brute, l’argile est donc un mélange de minéraux argileux et d’impuretés cristallines sous forme de débris rocheux de composition infiniment diverse.

L’intérêt accordé ces dernières années à l’étude des argiles par de nombreux laboratoires dans le monde se justifient par leur abondance dans la nature, l’importance des surfaces spécifiques qu’elles développent, la présence des charges électriques sur cette surface et surtout l’échangeabilité des cations interfoliaires. Ces derniers, appelés aussi cations compensateurs, sont les principaux éléments responsables de l’hydratation, du gonflement, de la plasticité et de la thixotropie, et ils confèrent à ces argiles des propriétés hydrophiles. [10].

Certains sols argileux changent de volume en fonction de leur teneur en eau et peuvent, de ce fait, créer des désordres dans les ouvrages géotechniques.

Le phénomène de gonflement dépend des caractéristiques minéralogiques du matériau argileux et de la nature de la solution d’hydratation. C’est pourquoi une description microscopique du phénomène est cruciale afin de bien comprendre le développement du gonflement.

Dans un premier temps, une étude détaillée sur l’impact du gonflement sur les ouvrages géotechniques, de la structure, les caractéristiques et de la texture des matériaux argileux.

Après avoir décrit le phénomène de gonflement à l’échelle microscopique, les différents paramètres macroscopiques pouvant influencer le gonflement.

Enfin, la dernière partie du chapitre sera consacrée à l’anisotropie du gonflement et à l’anisotropie de la pression de gonflement.

Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement

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2 . I M P A C T D U G O N F L E M E N T S U R L E S O U V R A G E S E N G E O T E C H N I Q U E

Le gonflement de certains sols ou de certaines roches sédimentaires constitue un phénomène très important en géotechnique car il est ‘a l’origine de nombreux dommages pour les ouvrages en surface et en souterrain.

Ce phénomène, qui est prépondérant dans les matériaux argileux, dépend des caractéristiques minéralogiques des minéraux argileux et se déclenche lorsque le matériau est mis en contact avec l’humidité. Le gonflement est généralement accompagné d’un changement des caractéristiques mécaniques et physico chimique de la roche qui peut avoir une influence sur la durée de vie de l’ouvrage. Les conséquences du gonflement sont nombreuses et dépendent principalement de chaque type d’ouvrage.

2.1. OUVRAGES SUPERFICIELS

Les ouvrages superficiels sujets au gonflement sont principalement les fondations et les murs de soutènement des bâtiments. Parmi ces derniers, les maisons individuelles construites sans mesures de précaution sur des sols gonflants présentent des dégradations et des fissures au niveau des murs porteurs, des murs de remplissage et des fondations (radier, semelle superficielle ou filante et les pieux).

Les dommages touchent aussi les réseaux de drainage qui peuvent, par exemple, subir des inversions de pente provoquant le débordement des drains alimentant ainsi le phénomène de gonflement (P. Mouroux, P. Magron, et J.C), cité par [46] par ailleurs, des réactions chimiques générées peuvent conduire à la sulfatation des dalles de béton entraînant ainsi un gonflement additionnel apparent.

Les principaux facteurs déclenchant le gonflement des ouvrages superficiels sont les suivants :

• Les facteurs climatiques (précipitations...),

• La végétation,

• L’hydrogéologie,

• La topographie (pente, exposition),

Les défauts de fondation et des actions anthropiques (modification des écoulements, imperméabilisation des sols, drainage ou fuite de réseaux, pompage, sources de chaleur enterrées et plantation d’arbres).

Les dégâts causés aux structures des bâtiments reposant sur des sols gonflants ont été chiffrés à environ Aux U.S.A, le coût des pertes annuelles occasionnés par le gonflement à été évalué à de 7 à 9 milliards de dollars en 1986. [5].

Coût global en France : 3,3 milliards d’euros entre 1989 et 2002 (2ème poste après les inondations) [35].


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2 2 . OUVRAGES SOUTERRAINS

Les ouvrages souterrains sujets au gonflement les plus communément répandus sont [46]:

• Les tunnels,

• Les puits pétroliers,

• Les cavités de stockage des déchets radioactifs,

• Les monuments historiques.

2.2.1. TUNNELS

Les tunnels en milieu gonflant posent de très importantes difficultés aussi bien lors de leur construction qu’après leur mise en service.

Les désordres caractéristiques qui affectent le plus souvent les tunnels localisés dans un milieu gonflant sont les suivants: (A. Robert et D. Fabre), cité par [46].

• Soulèvement puis dislocation du radier (Fig. 1.1),

• Bombement et convergence des piédroits,

• Pincement de la voûte en clé.

Figure. 1.1 : Soulèvement puis dislocation du radier d’un tunnel (A. Robert et D. Fabre), cité par [46].

2.2.2 PUITS PETROLIERS

La boue de forage est un mélange complexe de divers produits chimiques. Elle joue un rôle à la fois physique, chimique et mécanique.

Ses caractéristiques physiques et chimiques permettent d’assurer une bonne stabilité des parois du puits, de refroidir et de lubrifier l’outil et le train de sonde et de transmettre la puissance hydraulique.


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Les désordres causés par le gonflement des puits pétroliers sont estimés à 500 millions de dollars par an aux U.S.A (E. Van Oort, A.H. Hale, et F.K. Mody), cité par [46].

Actuellement, les industries pétrolières cherchent à bien choisir la température et la nature de la boue de forage (concentration et nature des cations) pour réduire la réactivité de la roche. L’utilisation de l’huile minimise le gonflement en assurant la stabilité du puits mais elle a malheuresement pour conséquence d’engendrer de graves problèmes environnementaux. [46].

2.2.3 Cavités de stockage des déchets radioactifs

Depuis quelques années, il est devenu nécessaire de trouver des moyens pour gérer ‘a long terme les déchets radioactifs, de haute et moyenne activité, issus de la production d’énergie nucléaire et de l’industrie en général. [46].

Une des solutions envisagées par plusieurs pays est le stockage en formations argileuses profondes.

L’objectif de cette solution est d’isoler les déchets de la biosphère par trois barrières (Fig. 1.2) :

• Un conteneur métallique ou en béton afin de noyer les déchets,

• Une barrière ouvragée (BO) constituée d’argile gonflante fortement compactée placée autour des colis,

• La couche hôte d’argilite assurant une sécurité à long terme.

Figure. 1. 2 : Les trois barrières de protection selon l’ANDRA Agence Nationale pour la

gestion des Déchets Radioactifs, cité par [46].

Les argilites contiennent une quantité élevée de minéraux argileux fortement gonflants et sont susceptibles d’agir avec le changement du degré d’hygrométrie et de température.

Différentes réactions chimico-mécaniques, hygro-mecaniques et thermo-mecaniques peuvent être observées. Ces réactions favorisent la formation de


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fissures perturbant par la suite le comportement mécanique et hydraulique et accroissant la possibilité future de transmission des radionucléides.

Le phénomène le plus apparent jusqu’‘a maintenant est l’ouverture et la fermeture de fissures localisées autour de l’excavation dans la zone endommagée EDZ (Excavation Disturbed Zone) qui sont dues aux variations saisonnières de l’hygrométrie.

Le stockage futur des colis va créer des variations thermiques favorisant la désaturation des argilites et pouvant être responsable de l’élargissement de la zone endommagée.

S’il y a présence de l’eau, il y a gonflement et ouverture des fissures dans la couche d’argilite, réduction d’espace poral dans la couche de bentonite compactée du fait du gonflement empêché et perturbations alcalines dans le béton.

Le problème réside dans la détermination et l’identification de plusieurs phénomènes (chimiques, physiques et mécaniques) ayant chacun des influences les uns par rapport aux autres. [46].

2.2.4 Monuments historiques

Les monuments historiques peuvent être endommagés par le gonflement du terrain qui les encaissent ou sur lesquels ils reposent. Plusieurs exemples égyptiens illustrent ces situations, tels que le serapeum (Saqqarah), le temple d’Hatshepsout (Louxor) et le grand Temple de Deir El-Bahary [46].

Des décollements du toit, des chutes de blocs et l’apparition de fissures, ainsi que l’effondrement des murs, ont été observées au niveau des zones de contact de ces monuments avec des couches argileuses.

3 . L E S A R G I L E S

Les argiles sont très abondantes dans la nature et couvrent environ 42 % du volume de l’écorce terrestre D. Levêque, cité Par [46]. Elles peuvent être classées en deux grandes catégories :

• Les argiles plastiques : elles sont tendres et très déformables,

• Les argiles raides : elles sont indurées et présentent un comportement plus fragile que ductile au-delà de la limite d’élasticité, et ce, à cause de la présence des carbonates et du quartz.

A l’échelle microscopique, les argiles sont formées par l’assemblage de particules de taille inférieure à 2 µm chargées négativement comme la smectite, l’illite et la kaolinite. La présence de tels minéraux rend l’argile fortement sensible aux molécules polaires d’eau. Cette sensibilité se traduit par le gonflement, le retrait et le changement des propriétés mécaniques.


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C’est la variation de la teneur en eau qui est le facteur déclenchant des variations de volume. Une augmentation de la teneur en eau entraîne le phénomène de gonflement tandis que sa diminution induit le phénomène de retrait.

La variation du volume des argiles est fortement influencée par des facteurs microscopiques et macroscopiques. A l’échelle microscopique, ces facteurs sont complexes et dépendent principalement des propriétés minéralogiques des matériaux argileux et des propriétés chimiques du fluide hydratant.

3 . 1 . S T R U C T U R E C R I S T A L L I N E D U F E U I L L E T E L E M E N T A I R E 0 9

Le feuillet élémentaire de la montmorillonite est formé par une couche octaédrique comprise entre deux couches tétraédriques (Figure 1.3). [10].

Figure 1.3 : Structure de la montmorillonite (Grim, 1968), cité par [10].

Les nombreux minéraux argileux et groupes de minéraux argileux se différencient d’abord par l’empilement et le décalage de leurs feuillets élémentaires, ainsi que par la substitution des atomes isomorphes dans le réseau cristallin. Ainsi, dans les beidellites, les silicium Si4+ sont partiellement substitués par des aluminium Al3+ et les aluminium Al3+ par des magnésium Mg2+. La


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cohésion des couches élémentaires est assurée par les forces (assez faibles) de Van der Waals et des liaisons hydrogène dans le cas de la kaolinite.

Tableau1.1 : Schéma simplifié montrant la classification des principaux groupes de

minéraux argileux et de leurs espèces (Jasmund et Lagaly, 1992), cité par [10].

Du fait de la substitution des ions Si4+ par les ions Al3+ dans la couche tétraédrique (illite et beidellite) et les ions Al3+ par des ions de valences inférieures comme Mg2+ dans la couche octaédrique (montmorillonite), des charges non compensées sont produites entre les feuillets et sont responsables à 80% de la capacité d’échange cationique (CEC). L’équilibre des charges n’est pas atteint et la neutralité électrique sera alors assurée par des cations compensateurs (Na+, K+, Ca2+,..) qui servent de lien entre les feuillets. [10].

L’illite et la montmorillonite ont la même structure cristalline mais elles diffèrent par le type et le nombre de substitutions. L’espace entre les feuillets est plus important chez la montmorillonite que chez l’illite où des ions K+ plus gros se


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trouvent très proches des points de substitution et sont solidement insérés entre les feuillets et empêchent par conséquent le gonflement de cette argile.

Les minéraux ayant de faibles déficits de charges et des cations échangeables de valences variables ne présentent qu’une faible attraction de feuillet en feuillet, ceci facilite la pénétration des molécules H2O entre les feuillets en les écartant. Ainsi, les cations compensateurs sont mobilisables par des échanges réversibles avec les cations des solutions mises en contact avec l’argile. [10].

3 . 2 L E S P R I N C I P A L E S C A R A C T E R I S T I Q U E S D E S M I N E R A U X A R G I L E U X

Les principales caractéristiques des minéraux argileux qui influencent le gonflement sont les suivantes :

3.2.1 LA DENSITE DE CHARGE SPECIFIQUE : σ est égale au rapport entre la

capacité d’échange cationique CEC et la surface spécifique S de la particule argileuse [46].

( )s

CECmmeq =2/σ

(1.1)

Deux types de charge existent dans les milieux argileux :

une charge permanente ou structurelle liée aux substitutions ioniques (Al3+ pour Si4+ dans la couche tétraédrique ; Mg2+ ou Fe2+ pour Al3+ dans la couche octaédrique),une charge de surface variable selon le pH du milieu liée aux réactions chimiques qui se produisent à la surface des minéraux.

La densité de charge spécifique renseigne sur le pouvoir de la particule à repousser les autres, cette répulsion étant la capacité de gonflement des minéraux argileux.

L’augmentation de la densité de charge spécifique réduit le gonflement ou la pression de gonflement des matériaux argileux. Cette augmentation entraîne l’attraction des ions, ce qui va provoquer une condensation de la double couche, donc une diminution de son épaisseur.[46]. Aussi selon [23] plus cette concentration est élevée, plus la couche est mince ou comprimée donc induit une diminution de gonflement.

3.2.2 La capacité d’échange cationique (CEC) Mesure la capacité d’une argile à échanger des cations. Elle est exprimée en

milliéquivalent par 100 grammes d’argiles et varie dans le même sens que la densité de charge surfacique. Donc, pour les argiles ayant une valeur élevée de CEC, elles ont tendance à peu gonfler, et cela à surfaces spécifiques égales (I. Lefevbre et A. Lajudie), cité par [46].


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3.2.3 La surface spécifique : des argiles est composée de la surface externe

comprise entre les particules et la surface interne correspondant à l’espace interfoliaire. L’augmentation de la surface spécifique donne un pouvoir de gonflement plus important et par conséquent un potentiel de gonflement plus élevé [46].12

Les caractéristiques de ces argiles sont résumées dans le tableau 1.2.

Tableau 1.2 : Caractéristiques des argiles [13].

3.3 TEXTURE DES ARGILES

La texture des minéraux argileux dépend du mode de sédimentation et de l’état de consolidation. Une roche argileuse qui présente une organisation serrée et orientée des particules d’argiles n’a pas le même gonflement qu’un sol argileux dont la sédimentation a été rapide et récente et pour lequel la distance entre les plaquettes est maximale. Cette organisation des minéraux argileux est la principale cause du gonflement anisotrope. [46].

Les matériaux argileux ne sont pas uniquement composés des argiles. Au sein de la fraction argileuse, plusieurs types de minéraux peuvent coexister. La texture des matériaux argileux se superpose donc aux organisations des autres minéraux non argileux. Cette hétérogénéité rend la structure et la texture extrêmement complexes, surtout lorsque les minéraux argileux sont cimentés par d’autres minéraux carbonatés. [46].

Les observations microscopiques effectuées par Montes et al, cité Par [46] sur les argilites, subissant des cycles d’humidification dessiccation, confirment des fracturations le long des surfaces localisées à proximité des matériaux rigides non gonflants (Figure. 1.4).


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Figure. 1.4 : Ouverture des fissures en proximité des matériaux rigides Montes et al, cité par [46].

L’évolution de la microtexture en fonction de l’hydratation peut être observée à l’aide du microscope électronique à balayage (M.E.B.) ou de la tomographie à rayons X (M. Gasc-Barbier,H. Freissmuth et X. Daupley) cité Par [46].

La figure 1.5 présente des images de ces argiles prises au microscope électronique à balayage Les observations au microscope électronique à balayage permettant d’analyser l’évolution de la texture au cours du gonflement montrent que, pour la kaolinite, le gonflement est uniquement de type inter-agrégats, au niveau des pores interstitiels alors que pour les smectites, le gonflement est de type intra-agrégats, c’est-à-dire entre les feuillets. [13].

Figure 1.5 : Photographies au Microscope Electronique à Balayage des argiles (Mitchell, 1976), cite par [13].

Ces observations microscopiques confirment une nouvelle organisation des feuillets argileux qui se manifeste par un écartement parallèle observable dans le cas des roches argileuses ou par un effet combiné d’un écartement et d’une rotation comme c’est le cas pour les sols argileux non indurés. [46].

Globalement, le pourcentage en minéraux gonflants, les carbonates, les minéraux non gonflants d’une part, et la nature de la consolidation d’autre part, présentent une influence notable sur le gonflement, le retrait et le changement des propriétés mécaniques. [46].


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3.4. CATIONS ECHANGEABLES

Les substitutions isomorphes de Al3+ par Mg2+ à la surface des feuillets entraînent un excès de charge négative. Pour assurer l’électroneutralité, ce déficit de charge est compensé par des cations Ca2+ ou Na+. Les montmorillonites compensées par des cations Ca2+ sont appelées des montmorillonites calciques. Lorsqu’elles sont compensées par des cations Na+, elles sont appelées des montmorillonites sodiques. [46].

Ces cations échangeables se fixent à la surface des feuillets et assurent la liaison entre eux. L’intensité de ces liaisons dépend de la valence de ces cations. A titre d’exemple, la valence des cations de sodium Na+ est plus faible que celle des cations de calcium Ca2+, c’est pour cette raison que la montmorillonite sodique aura un gonflement plus élevé, ce qui est propice à la fixation des molécules d’eau et des cations entre ces feuillets. [46].

En effet, deux types de gonflement peuvent se produire au sein des matériaux argileux :

• Le gonflement intraparticulaire ou interfoliaire,

• Le gonflement interparticulaire.

3.5. GONFLEMENT INTERFOLIAIRE ET INTERPARTICULAIRE

L’analyse minéralogique montre que certaines argiles, pour lesquelles les liaisons interfeuillets sont très faibles, ont la propriété de fixer les molécules d’eau entre deux feuillets voisins (c’est le cas de smectites telles que la montmorillonite, et de certaines chlorites). L’eau pénètre à l’intérieur des particules et s’organise en couches monomoléculaires, il s’agit alors d’un gonflement intraparticulaire ou interfoliaire (Didier, 1972), cite par [13]. Il intervient à l’échelle la plus petite de la structure argileuse mais peut présenter une ampleur très importante.

En dehors de ce cas particulier, qui définit les argiles dites “gonflantes”, le gonflement est interparticulaire, c’est-à-dire que l’eau ne pénètre pas à l’intérieur des particules d’argiles. Ce gonflement interparticulaire, contrairement au gonflement interfoliaire, a une ampleur assez limitée, mais affecte toutes les argiles. [13].

4 . D I F F E R E N T S T Y P E S D ’ E A U

Le caractère dipolaire de la molécule d’eau lui confère la propriété d’être attirée par l’intermédiaire de ses extrémités positives à la surface négative des minéraux argileux. Cette attraction modifie les propriétés hydrodynamiques de l’eau et cela dépend de la distance entre les molécules d’eau et la surface argileuse. [46].

Trois types d’eau, existant dans la matrice argileuse, peuvent entre distingués :


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4.1. L’EAU LIBRE: remplissant les macropores entre les particules : elle peut être éliminée par séchage à l’étuve à une température de 105 °C. [46].

4.2. L’EAU LIEE : occupant les espaces interfeuillets par des interactions chimiques et électriques : elle a besoin d’une température élevée de 200 °C pour être évacuée. [46].

Sa densité et surtout sa viscosité sont plus élevées que celles de l’eau libre. Sa quantité totale dépend de la surface spécifique, de la densité de charge et de la capacité d’échange cationique des minéraux argileux.

4.3. L’EAU CRISTALLINE : se situe au niveau des feuillets argileux et a besoin d’une température de 550 °C pour être éliminée. [46 ].

Le changement de la teneur en eau liée et cristalline peut être le seul facteur de changement de la structure interne du matériau argileux (M.R. Santos, A. Diek, J.C. Roegiers, et A.B. Fantoura), cité par [46]. Ces trois types d’eau sont influencés par la nature des minéraux argileux et par le chimisme de la solution d’hydratation.

5 . I N T E R A C T I O N E N T R E A R G I L E S ( S M E C T I T E S ) E T C A T I O N S A L C A L I N S

D’après la structure des argiles (smectites) décrite précédemment, il existe trois types de sites d’adsorption pour les cations. La surface externe des particules d’argile se compose de la surface basale, négativement chargée, et des bordures des particules, constituées de sites acido-basiques. Un troisième site est accessible aux cations : il s’agit de l’espace interfoliaire, sous réserve que la distance entre feuillets soit suffisante. [39].

5.1 INFLUENCE DE LA NATURE DES CATIONS ALCALINS

5.1.1 Sur la force de l’interaction avec la surface

Les particules argileuses, chargées négativement, possèdent une grande aire de surface qui leur permet d’interagir fortement entre elles, par des phénomènes essentiellement électrostatiques. Le mode d’interaction entre ces particules dépend notablement des cations compensateurs en présence. La force de liaison des cations avec la surface argileuse dépend quant à elle de l’énergie d’hydratation du cation, de sa taille ionique, de sa charge et de sa polarisabilité. Pour une montmorillonite, la force d’interaction des principaux ions inorganiques avec la surface augmente selon l’ordre suivant : Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Ca2+ < Cs+ La capacité d’un cation à s’échanger à la surface négative des argiles augmente lorsque son rayon hydraté diminue et que sa polarisabilité augmente, lorsque sa charge augmente, et lorsque sa capacité à s’hydrater diminue. [39].

5.1.2 Sur la sélectivité de l’échange


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La rétention irréversible de cations, c’est-à-dire leur fixation, peut parfois résulter en un comportement anormal de l’échange ionique. Pour la montmorillonite, de telles fixations ont par exemple pu être observées dans le cas du potassium et du césium, cité par [39]. La fixation de ces ions entraîne en général un écrasement des feuillets, qui sont alors solidement liés entre eux, l’interfeuillet devenant inaccessible à tout échange ionique et également à l’adsorption d’eau. Dans ce cas, l’ordre établi pour les échanges ioniques se trouve inversé, et ce sont les cations dont les rayons non hydratés sont les plus faibles qui parviennent à pénétrer l’espace interfeuillet et à s’échanger avec les cations fixés. Une fois dans l’interfeuillet, ces nouveaux cations peuvent s’hydrater et séparer les feuillets, permettant ainsi l’échange d’autres cations fixés. Ainsi, les smectites présentent une forte sélectivité pour le césium et le potassium comparativement aux autres cations. Cette sélectivité est contrôlée par la densité de charge des surfaces basales et l’aire des bordures des particules, [39]. Ainsi, l’illite présente, du fait de sa plus forte densité de charge, une meilleure sélectivité pour Cs+ et K+ que les smectites.

5.1.3 Les facteurs régissant le mode d’interaction des ions avec la surface de l’argile

D’après [39], les interactions entre cations inorganiques et surfaces argileuses dépendent de quatre facteurs : (1) le rayon des cations non hydratés, (2) la charge des cations, (3) leur énergie d’hydratation, (4) les interactions spécifiques. Plus les deux premiers paramètres sont élevés et plus le troisième est faible, plus les interactions sont fortes. Ces trois premiers facteurs sont généralement à l’origine de liaisons fortes entre un cation et une surface négativement chargée. Le quatrième est plus caractéristique d’interactions spécifiques entre un cation et une argile donnée.

6 . I N T E R A C T I O N S E N T R E L E S F E U I L L E T S E N M I L I E U A Q U E U X

La structure cristalline de la demi-maille des feuillets de montmorillonite présente des substitutions créant un déficit électronique compensé par des cations hydratés qui maintiennent l’électroneutralité. La population de ces derniers peut être séparée en deux couches d’après Israelachvili cité par [23]: une couche de cations immobiles liés à la surface, appelée couche de Stern , et une couche mobile proche de la surface, moins dense, appelée couche diffuse , la limite entre ces deux couches étant appelée plan d’Helmholtz ou plan de cisaillement.


17

Figure 1.6 : Représentation schématique de la double couche électrique et de l’évolution

du potentiel électrique en fonction de la distance de la particule à la solution, d’après

Israelachvili cité par [23].

Cette double couche électrique de la particule en suspension présente une concentration en cation décroissante à mesure que l’on s’éloigne de la surface du feuillet.

Au voisinage de la surface, la couche de Stern dense en cation repousse les anions par l’intermédiaire d’une force électrostatique, il existe aussi une différence de densité anionique, mais cette fois, la concentration est décroissante à mesure que l’on s’approche de la surface des feuillets. Cette différence locale de concentration entre anions et cations crée un potentiel électrique, qui varie en fonction de la distance à la surface de la particule. Ce potentiel ψ0 est maximum à la surface du feuillet et décroît linéairement dans la couche de Stern (Figure1.6).

Expérimentalement, il n’est pas mesurable et seul le potentiel ζ au plan d’Helmholtz peut être mesuré. Ensuite, à mesure que l’on s’éloigne du feuillet, ce potentiel décroît de façon exponentielle, en suivant l’équation de Gouy-Chapman, et à une distance infinie, ce potentiel s’annule puisqu’en solution, l’électroneutralité est respectée.

Luckham et al, cité Par [23].se sont intéressés à l’épaisseur de la double couche électrique, et ils ont défini les paramètres influant sur cette épaisseur. Ils ont retrouvé ces paramètres au travers du paramètre K de l’équation de Gouy-Chapman (Equation 1.2).

(1.2)


18

Equation (1 2) : Variation du potentiel électrique en fonction de la distance à la surface de la particule et du milieu selon la théorie de Gouy-Chapman, cité par [23].

L’épaisseur de la double couche électrique dépend donc essentiellement de la valence des anions et de la concentration en électrolyte du milieu : plus cette concentration est élevée, plus la couche est mince ou comprimée. [23].

L’extrémité des feuillets semble aussi posséder une double couche électrique, mais de nature différente de celle décrite précédemment. Cette double couche est due à l’adsorption d’ions sur les liaisons pendantes des structures octaédriques et tétraédriques des cristaux constituant les feuillets et dépend du pH de la solution [23].

La Figure1.7 présente le potentiel d’interaction en fonction de la distance inter-particulaire. Ce potentiel passe par un maximum Ψmax correspondant à une barrière énergétique ; cette valeur va déterminer la stabilité de la suspension.

Figure1.7 : Potentiel d’interaction en fonction de la distance entre particules, cité par [23].

Sur cette Figure 1.7 sont représentés trois cas distincts, fonction de la concentration ionique du milieu :

• La courbe A correspond au cas de faibles forces ioniques. Quelle que soit la distance inter-particulaire, le potentiel répulsif est supérieur au potentiel attractif ;


19

les particules se repoussent mutuellement et la suspension est dispersée. Plus le maximum primaire Ψmax est élevé, plus la suspension est stable.

• La courbe B présente le cas de forces ioniques intermédiaires. Le potentiel d’interaction passe par un potentiel maximum primaire Ψmax et un potentiel minimum secondaire Ψsec. Lorsque les particules sont localisées dans ce minimum secondaire, elles sont stables et floculées. Si ce minimum n’est pas très profond (-Ψsec/kT~1) l’état de floculation est réversible, alors que si il est plus profond (-Ψsec/kT>20), la suspension est fortement floculée.

• Lorsque les forces ioniques sont élevées, courbe C, le potentiel ne présente pas de maximum, les particules sont floculées de façon irréversible. La distance inter particulaire correspond au minimum du potentiel primaire Ψmin, et les particules sont coagulées.

6 P R I N C I P A L E S C A U S E S D U G O N F L E M E N T

La recherche bibliographique a permis de mettre en évidence quatre principaux phénomènes expliquant les causes du gonflement :

• Hydratation par adsorption,

• Hydratation par osmose,

• Hydratation par capillarité,

• Transformations chimiques.

6.1 HYDRATATION PAR ADSORPTION

Les argiles sont principalement caractérisées par un déséquilibre électrique dû à une substitution isomorphe de cations dans la structure octaédrique des feuillets. Il en résulte alors la formation de la double couche diffuse due à la fixation des cations échangeables qui s’installent à la surface des feuillets du fait des forces électrostatiques qui sont les suivantes [46].

6.1.1 Forces d’attractions

Généralement causées par les forces de Van Der Waals entre les feuillets voisins,

6.1.2 Forces de répulsion

Ayant plusieurs composantes (interaction des doubles couches associées aux deux feuillets, énergie d’hydratation des cations compensateurs).

Ces deux forces décroissent rapidement avec la distance interparticulaire. Quant à la force de répulsion, elle diminue également avec l’augmentation de la concentration en électrolytes (Figure. 1.8).

Les variations de concentrations en cations et en anions dans la double couche diffuse sont déterminées à partir de l’équation de Poisson-Boltzmann et sont


20

présentées sur la figure (1.9). A proximité de la surface chargée, la concentration en cations est plus élevée que celle en anions.

Theng, cité par [46], affirme que le gonflement est d’autant plus élevé que les potentialités de développement des doubles couches sont importantes. Cette double couche dépend de la nature des minéraux argileux et des cations compensateurs.

Les cations sont liés aux feuillets par des forces de nature électrostatique et possèdent la propriété d’être échangeables. Cette facilité d’échange sera aussi un facteur influant sur le gonflement.

Le classement général admis est le suivant M. Iltis, cité par [46].

Li+ Na+ NH4+ K+ Mg2+ Ca2+ Al3+

D’après cette série, le lithium est le plus facile à remplacer alors que l’aluminium est le plus difficile.

6 . 2 HYDRATATION PAR OSMOSE

Lorsqu’une solution saline est séparée de l’eau pure par une membrane semi-perméable idéale (permettant uniquement le passage des molécules d’eau mais non des substances dissoutes), l’eau pure a alors tendance à traverser la membrane pour diminuer la concentration de la solution. Ce phénomène est appelé osmose. La pression qu’il faut appliquer pour empêcher l’arrivée de l’eau dans la solution saline est nommée la pression osmotique (Figure. 1.10). [46].


21

Figure. 1.10 : Phénomène osmotique idéal cité par [46].

Si la concentration de l’eau libre est inférieure à la concentration de l’eau de la double couche, il en résulte alors une migration des molécules d’eau des pores larges vers les particules argileuses entraînant l’augmentation de la distance interfeuillet.

A contrario, il en résulte une pression osmotique d’attraction entraînant la contraction du matériau argileux.

Le phénomène d’hydratation par osmose permet d’expliquer le fait que lorsque la salinité de la solution d’hydratation augmente, le matériau argileux gonfle moins X. Daupley,R.C.K. Wong et E.Z. WANG et R.P. Steiger) cité Par [46].

6.3 HYDRATATION PAR CAPILLARITE

La capillarité est une caractéristique des matériaux non saturés de faible porosité. Elle se traduit par une extension dans la phase liquide lors de la saturation ou par une contraction lors de la désaturation.

La saturation des matériaux fins après une phase de drainage peut entraîner le piégeage de l’air par l’eau à l’intérieur du réseau poreux. Ce mécanisme peut engendrer la compression de l’air responsable de la dégradation ou de la fragmentation des matériaux argileux (T.R. Harper T.R., G,L. Schmitt, T. Forsans, et J. Santarelli, E.M. Van Eeckhout. M. Brignoli et F.J. Santarelli) cité Par [46]. La capillarité dépend du phénomène d’adsorption, le film d’eau adsorbé diminue l’espace poreux et modifie par la suite la capillarité.

Dans l’hypothèse de pores cylindriques, la pression capillaire Pc est déterminée par la loi de Jurin

cwc r

uuPθσ cos..2

0 =−= (2.3)

ua et uw sont respectivement les pressions d’air et d’eau, u est la tension de surface eau air et B est l’angle de raccordement entre le ménisque et le solide.

Cette relation implique qu’au niveau du ménisque, plus r est petit, plus la pression d’eau est inférieure à la pression d’air. Comme en mécanique des sols ou des roches, la pression atmosphérique étant nulle, il s’ensuit que la pression de l’eau à proximité du ménisque est négative.

Plusieurs facteurs affectent la capillarité des milieux poreux :

• La dimension et la distribution des pores,

• Les fluides et solides impliqués et l’histoire de saturation.

Couramment, les phénomènes capillaires et osmotiques sont réunis sous le

nom de succion totale tψ . Elle est égale à la somme de la succion matricielle due


22

à l’hydratation par capillarité avec la succion osmotique oψ due à la différence de concentration en sel entre deux points de la matrice solide :

omt ψψψ += (2.4)

La succion totale peut également être définie par une des relations fondamentales de la thermodynamique : la loi de Kelvin qui suppose que le matériau soit inerte vis avis de l’eau. Elle est exprimée de la manière suivante :

( )sm

t aInV

RT.=ψ

(2.5)

La loi de Kelvin nous amène à supposer que le gonflement des billes de verre de petit diamètre est régi par le même phénomène que le gonflement d’un sol argileux.

En résumé, l’attraction de l’eau par un matériau argileux non saturé ne se réduit pas simplement à l’action de la succion totale o‘u interviennent également les actions d’adsorption physico-chimiques.

Santos et al, cité par [46].ont exposé deux échantillons d’argilite initialement séchés à l’eau et à l’huile. L’échantillon mis en contact avec de l’eau est altéré. Malgré le fait que l’huile se soit infiltrée dans le deuxième échantillon, ce dernier n’a pas réagi. Les auteurs ont attribué ce phénomène aux interactions physico-chimiques primordiales dans les milieux argileux et non à l’effet de la capillarité.

6 . 4. TRANSFORMATIONS CHIMIQUES

Trois types de transformations chimiques se distinguent principalement [13]:

• La transformation de l’anhydrite en gypse,

• L’oxydation de la pyrite,

• La dissolution des carbonates dans l’eau.

La transformation de l’anhydrite (CaSO4) en gypse (CaSO4, 2H2O) se produit sous cerntaines conditions de pression, de température et de teneur en eau [99]

et s’accompagne d’une variation de volume spécifique [13].

( )OHCaSOOHCaSO 2424 2,2 →+ (2.6)

136g 36g 174g (masse en g)

46 cm3 36 cm3 174 cm3 (Volume de solide en cm3)

Cette évolution se produit sous certaines conditions de pression, de température et de teneur en eau (Sahores, 1962). Ainsi, le sulfate de calcium sous sa forme anhydrite CaSO4 est stable à des températures supérieures à 58°C e t à une pression proche de 100 kPa. Au dessous de 38°C, l’anhydrite peut être présente si l’eau


23

nécessaire à sa transformation est insuffisante ; seul le gypse est stable. Entre 38°C et 58°C, les deux composés coexistent et présentent des évolutions différentes.

Wittke, cité par [13] a conclu que, dans la nature, deux cas sont susceptibles de se présenter : dans un volume fermé contenant de l’anhydrite et l’eau nécessaire à la transformation, le gypse se forme avec une réduction de volume :

( )%6,9100

82

364674 =+−−=∆−=V

VVolε (2.7)

%6110046

4674 −=−−=∆−=V

VVolε (2.8)

Par contre, si l’eau provient de l’extérieur, c’est- à -dire dans un système ouvert, théoriquement, un gonflement s’observe :

Dans la nature, les conditions sont plus proches de celles du système ouvert, c’est pourquoi on assiste généralement à un gonflement.

6.4.1 L’oxydation de la pyrite (FeS2)

Est le processus le plus important de décomposition chimique des roches sédimentaires à granulométrie fine [116]. Cette oxydation conduit à la formation de l’acide sulfurique. L’acide réagit à son tour avec les carbonates de calcium. Cette réaction produit du sulfate et peut former du gypse dont la cristallisation provoque l’éclatement du matériau argileux. [46].

L’oxydation de la pyrite peut créer un réseau de microfissures se traduisant par un risque de rupture et également des chemins préférentiels d’écoulement.

6.4.2 La dissolution des carbonates dans l’eau La dissolution des carbonates dans l’eau rend l’argilite de plus en plus

sensible à la variation de son état hydrique. A long terme, la dissolution des carbonates rend les matériaux argileux de plus en plus ductiles. [46].

7 . F A C T E U R S A F F E C T A N T L E G O N F L E M E N T

Les résultats de nombreuses études ont montré que l’amplitude du gonflement dépend de deux types de facteurs :

� les facteurs intrinsèques,

� les facteurs externes.

7.1. FACTEURS INTRINSEQUES

7.1.1 Influence Compositions minéralogiques

Ce facteur est très important pour déterminer le gonflement d’un sol. Les propriétés gonflantes du matériau seront d’autant plus marquées que le pourcentage


24

d’éléments argileux est grand [20].C’est ainsi que pour une même nature d’ions, les montmorillonites gonfleront plus que les kaolinites.

Plus les substitutions sont proches de la surface du feuillet, plus les interactions avec les cations compensateurs sont fortes. C’est notamment le cas du mica [99] cité par [23], dont les substitutions sont situées dans la couche tétraédrique et qui présente une très faible aptitude au gonflement en milieu aqueux, donc à l’échange cationique.

Pour la montmorillonite, les substitutions sont situées dans la couche octaédrique, les interactions avec les ions compensateurs sont atténuées par la couche tétraédrique, ce qui permet le gonflement des feuillets en milieu aqueux, et donc l’échange cationique. [23].

7.1.2 Influence du type de cations compensateur

Le type de cation qui doit être substitué a aussi une importance sur le taux d’ions échangés (GHE, cité par [23]). Plus le cation est gros et peu hydraté, plus il crée une attraction forte entre les feuillets. C’est ainsi que les feuillets de montmorillonites comportant des ions K+, Rb+, NH+4, et Cs+ sont collapsés en milieu aqueux, alors que ceux compensés par des ions Na+, Li+, Ca+2 et Mg+2 se dissocient facilement. [23].

La taille de l’ion substituant va également avoir un rôle sur la capacité d’échange, car plus cet ion est volumineux, plus il va perturber les couches d’hydratation, et ce désordre va faciliter l’échange. [23].

7.1.3 Influence de la Capacité d’échange en cations (CEC)

La capacité d’échange cationique a évidement un rôle important, car plus les feuillets possèdent des sites compensables, plus ils peuvent adsorber des ions. Cependant, lorsque la densité de sites est trop élevée, comme dans le cas de la vermiculite, les feuillets sont liés par de trop fortes interactions pour pouvoir être gonflés, et donc pour être échangés.

La capacité d’échange cationique est une quantité qui se mesure par saturation de l’argile par un premier type de cations, ensuite on la met en présence d’autres cations qui vont prendre la place des premiers. Selon le nombre des cations récupérés, on estime la valeur de CEC qui s’exprime en mille équivalents pas 100 g. d’argile (meq/100 g. d’argile) [20].

Cette aptitude des argiles à libérer leurs cations dépend de la valence et la masse atomique du cation présent dans la solution, selon l’ordre croissant suivant :

Li+ < Na+ < k+ < H+ < Mg++ < Ca++ < Al+++

Exemple : Na argile + CaCl2 → Ca argile + NaCl


25

Les surfaces des particules d’argiles sont chargées négativement, afin d’équilibrer la charge négative, les particules d’argiles attirent les ions positifs contenus dans les solutions de sel.

Ces ions sont considérés comme des ions interchangeables. Le tableau 4.1 représente le CEC de quelques argiles connues :

Tableau 1.3 : Capacités d’échange des cations de quelques argiles [20].

7.1.4 Influence Surface spécifique

Les particules d’argiles, présentent des surfaces spécifiques très importantes et peuvent de ce faite attirer un grand nombre de molécules et d’ions ; et exercer ainsi entre eux, d’importantes forces d’interactions. Ces forces, influent amplement sur le comportement mécanique de ces argiles.

L’augmentation de la surface spécifique entraîne la diminution de la densité en charge, et par conséquent favorise le gonflement. Les argiles dont les particules ont des surfaces spécifiques grandes sont très gonflantes. La surface spécifique s’exprime en m2/g.

Tableau 1.4 : Surfaces spécifiques de quelques minéraux argileux [20]


26

7.1.5 Influence de la structure du sol

Pour des sols qui se sont déposés naturellement, l’arrangement des particules sera fonction de leur nature, leur dimension et leur environnement durant leur dépôt. Un matériau intact à configuration dispersée présentera des caractéristiques de gonflement plus importantes qu’un matériau remanié à configuration floculée [13].

7.1.6 Influence la quantité de minéraux non argileux

Deux sols formés des mêmes argiles gonflantes et ayant les mêmes densités et teneur en eau, mais différents par la quantité des matériaux non gonflants contenus dans les sols, ont des caractéristiques de gonflement très différentes [20] et [22].

7.2. FACTEURS EXTERNES

D’autres paramètres indépendants de la structure des argiles et de la composition chimique de la solution hydratante peuvent avoir une influence importante sur le gonflement, on cite en particulier :

7.2.1 Conditions de compactage (statique ou dynamiq ue)

Pour les essais de gonflement réalisés sur des échantillons reconstitués au laboratoire, l’étude de l’influence du mode de compactage a été abordée par certains chercheurs (Guiras – Skandaji.H), .cité par [10]. Les différentes méthodes de compactage aboutissent à des structures différentes de l’échantillon, ce qui peut influencer le résultat du gonflement.

Edil et Alanazi, cité par [11].constatent qu’il n’y a pas un consensus sur le type de structure obtenue par les différentes méthodes de compactage. Seed et al cité par [11], affirment que le compactage statique donne une structure plus floculante que le compactage par malaxage et ceci à teneur en eau initiale et densité sèche initiale égale.

Dans ce cas, l’échantillon compacté statiquement abouti à un gonflement plus fort. Alors que Perches et Lu, (1965) cités par Edil et Alanazi, et Seed et Chen ; (1961), cité par [11].affirment que le compactage statique donne une structure orientée en


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parallèle beaucoup plus marquée que le compactage par malaxage et aboutit donc à un gonflement plus important.

Hachichi et Fleureau (1999); ont observé un gonflement final plus faible pour des échantillons reconstitués par compactage statique que pour des échantillons intacts.

7.2.2 Influence de l’énergie de compactage

A. Sridharan, Y. Gurtug, 2004 ; ont étudié l’influencé par l’énergie de compactage, ils ont fait avec de la Kaolinite et l’argile de montmorillonite fortement en plastique. Ils ont trouvé l’effet de cette énergie sur le taux et la pression de gonflement (tableau 3.4).

Le tableau suivant récapitule les résultats les essais effectués pour voir l’effet de cette énergie sur le taux et la pression de gonflement.

Tableau 1.5 : taux de gonflement et la pression de gonflement pour plusieurs type du sol à différentes énergies de compactage. (A. Sridharan, Y. Gurtug, 2004).

7.2.3 Influence de la teneur en eau initiale

Lorsque les argiles ne sont pas saturées, par suite d’une dessiccation, les forces d’attraction dues aux charges électriques, les forces dérivant de l’énergie d’hydratation des cations échangeables et les forces capillaires ont la primauté. Succinctement, plus le matériau argileux est sec, plus il a tendance à gonfler par saturation.

Pareillement, la pression de gonflement diminue avec l’augmentation de la teneur en eau initiale et cela a été vérifié sur des essais de gonflement empêché effectués sur des marnes.

Barden et Al (1969), cité par [11]; pensent que la teneur en eau initiale détermine la structure initiale du sol par conséquent des échantillons à la même teneur en eau initiale aboutissent à la même variation de volume indépendamment du chemin de contrainte suivi, alors qu’une différence de 0,5 à 1 % donne des variations de volume différentes pour le même chemin de contraintes

Karalis (1977), cité par [11], montre qu’il y a une variation presque linéaire du taux de gonflement en fonction de la teneur en eau.


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Edil et Alnazi (1992), cité par [11]; trouvent que la teneur en eau initiale des échantillons compactés à la même densité sèche a une influence considérable sur les caractéristiques du gonflement (Graphe 1.1) le gonflement latéral et vertical augmente lorsque la teneur en eau initiale diminue.

Les essais réalisés par Al-Mukhtar et al, cité par [11]. sur l’argile (Laponite) à différentes humidités initiales montrent que la pression de gonflement est invariable avec le degré d’humidité initial tandis que le gonflement augmente avec la diminution de ce degré.

Figure 1.11 : Effet de la teneur en eau initiale sur le comportement du gonflement avec la technique du gonflement libre (Edil et Alnazi), cité par [11].

Figure 1.12 : potentiel de gonflement en fonction de la teneur en eau initiale Alonso et al cité par [11].

Des résultats observés par Alonso et al cité par [5] montrent que le gonflement pour différentes teneurs en eau initiales suit une loi linéaire (figure 1.12), La nature de cette relation autorise la définition d’une teneur en eau critique (égale à 22 %) qui donnerait lieu à un gonflement apparent nul [11]. Pour ce cas critique, la variation de


29

la teneur en eau volumique fournirait une mesure de gonflement qui se produit dans les pores.

Des résultats établis par A.F. Abouleid (1982) Hachichi et Fleureau (1999) cité par [11].ont établi qu’en fait la teneur en eau exerce un effet négligeable sur la pression du gonflement tant qu’elle est inférieure à la limite du retrait du sol. Pour des teneurs en eau au-delà de la limite de retrait l’effet devient marqué. (Figure 1.13),

Figure 1.13 Variation de la pression de gonflement en fonction de teneur en eau initiale (Abouleid) cité par [11].

Sturatman a aussi effectué des essais sur la montmorillonite, l’illite, et la kaolinite et il a trouvé que tant que la teneur en eau diminuait le gonflement augmentait, cité par [11].

7.2.4 Influence de la densité sèche

De multiples travaux, notamment ceux de Chen, cité par [11], ont permis de montrer que le gonflement et la pression de gonflement varient considérablement avec la densité du sol (Figure 1.14).

Figure 1.14 : potentiel de gonflement en fonction de la densité initiale (Chen) cité par [10].


30

Suratman, cité par [11] a réalisé des essais sur le montmorillonite, l’illite et la kaolinite et a trouvé les mêmes résultats que Chen,

Sridaharan et al, cité par [11].ont mené 32 essais de gonflement à volume constant avec quatre teneurs en eau initiale.

Komine et Ogata (1994), cité par [11] ont effectué des essais de gonflement sur 4 bentonite Na compactée à différentes densités sèches initiales. Ils ont pu voir que le taux de gonflement croît linéairement avec la densité sèche initiale.

7.2.5 Influence de l’effet d’échelle

L’effet d’échelle consiste à examiner l’influence de la hauteur ou du diamètre de l’échantillon sur le gonflement libre ou sur la pression de gonflement. Cet effet est fréquemment observé en mécanique des sols.

Dans des conditions œdométriques de déformations, les essais effectués par Chen, cité par [46].sur l’argile de Denver et par Vayssade, cité par [46].sur l’argile verte ne montrent aucune influence de la hauteur sur le gonflement libre.

Cependant, les essais réalisés par Khaddaj, cité par [46], sur l’argile de Flandre présentent une diminution du potentiel de gonflement de 20 % quand l’épaisseur de l’échantillon passe de 12 à 24 mm.

En ce qui concerne la pression de gonflement, Khaddaj, cité par [46].montre une augmentation de cette dernière avec la hauteur de l’échantillon. La pression varie de 116 à 275 KPa, lorsque la hauteur de l’échantillon passe de 12 à 54 mm.

D’un autre coté, les essais réalisés par Duilio, cité par [46], sur les bentonites montrent que la pression de gonflement ne dépend pas de la hauteur de l’échantillon.

7.2.6 Influence du régime de contraintes

Le gonflement par saturation décroît lorsque la pression appliquée augmente. On arrive ainsi à la notion de pression de gonflement qui correspond à un gonflement nul.

A l’échelle microscopique, la contrainte mécanique appliquée est compensée par les pressions physico-chimiques et osmotiques interparticulaires de nature répulsive dépendant de la distance interfeuillet. Plus la pression appliquée est élevée, plus l’espacement interfeuillet est réduit. [46].

Pour une pression supérieure à la pression de gonflement, le matériau argileux a tendance à se tasser ou à s’effondrer.[46].

7.2.7 Influence du frottement latéral


31

Le frottement latéral contre les parois des cellules de mesure du gonflement est non négligeable. Il dépend principalement des dimensions des éprouvettes et des conditions de mise en place des échantillons.

Surastman (1985), Hachichi et Fleureau (1999) cité par [8] ont remarqué que le gonflement diminue lorsque la hauteur de l’échantillon augmente et ceci est du au frottement latéral entre l’anneau volumétrique et l’échantillon la figure 4.6 représente les résultats de Chen cité par [8] effectués sur la région de DENVER.

Figure 1.15 : Influence de la hauteur initiale sur le gonflement cité par [8].

Aussi Mehmit (1982) cite par [8], présente le graphe suivant qui montre l’influence de la hauteur d’échantillon sur le gonflement.

L’influence du fluide hydratant sur les paramètres du gonflement montre que les paramètres du gonflement varient avec le type des ions présents dans le fluide hydratant. L’hydratation avec de l’eau pure donne un gonflement plus important tandis que l’hydratation avec une eau déminéralisée conduit à surestimer l’activité de gonflement et à sous-estimer son taux de gonflement (Didier et col, 1973), cité par [8].

Bouroukba et col. (2001) ont pu montrer l’efficacité de diverses solutions salines pour réduire le gonflement d’un sol avec des concentrations salines différentes.

7.2.8 Influence de la température

La température intervient pour accélérer les échanges d’ions et ainsi augmenter les capacités d’échange Mouroux (1969) cité par [8].

Mehmit et Ishibashi (1982) cité par [8].; ont trouvé que la température affecte le taux de gonflement , et les expériences menées ont montré une réduction de 17% à 28% quand la température diminue de 66°C jusqu’à 24 °C.

7.2.9 Influence des Cycles retrait-gonflement


32

Si le retrait d’un sol de surface se poursuit au delà de sa limite de retrait (WR dans la symbolique des limites d’Atterberg), cela peut entraîner sa fissuration jusqu’à une profondeur pouvant atteindre plus de 2 m, (Mouroux et al., 1987) cité par [41], et avoir pour conséquences :

Le développement de très fortes pressions de succion de l’eau d’une nappe vers les couches de terrains qui lui sont sus-jacentes, créant ainsi un fort potentiel de gonflement ;

L’apport direct d’eau à travers les fissures sur une épaisseur importante de sol. De ces deux conséquences, un gonflement d’ensemble important peut se produire et s’accompagner d’une perte totale de consistance en surface. L’état très lâche de ces sols les rendra, par la suite, encore plus sensibles au retrait et à la fissuration, donc plus sensibles encore une hydratation brutale et massive, et à un gonflement conséquent (Mouroux et al., 1987),cité par [41].

Cette alternance de cycles retrait-gonflement ne connaît pas de fatigue dans la pratique et peut facilement perdurer plusieurs dizaines d’années si aucune mesure n’est prise pour empêcher soit la déshydratation, soit l’hydratation des sols.

Ce sont, soit des cycles de compression-décompression, soit des cycles d’humidification-dessication. Lorsque ces cycles ont le même état initial et le même état final, ils diminuent généralement le gonflement d’après les résultats de Chen (1965) cité par [8].

Chen 1965 , Chen Et Mou 1973, Chen et al. 1985 ; Chen et Ma 1987 ; Subba Rao et Satydas 1987 ; Dif et Bluemel 1991 cité par [21].,ont conclu qu’après chaque cycle d’humidification et de la dessiccation, la teneur initiale des échantillons en eau à diminution de potentiel de gonflement des argiles. Cependant, d’autres auteurs Poposco 1980 ; Osipov et al 1987 et Day 1994 cité par [21], disent que la teneur initiale en eau augmente qu’après chaque cycle de (humidification- dessiccation) répétitif ce qui induit à l’augmentation de potentiel de gonflement sur la figure 1.17.


33

Figure 1.16 : le potentiel du gonflement en fonction du comportement cyclique(gonflement/retrait)selon des différents chercheurs [21].

Adnan A. Basma, Azm S. Al-Homoud, Abdallah I. Husein Malkawi, Mohamed A. Al-Bashabsheh, 1996; ils ont étudié le comportement cyclique de gonflement-rerait des argiles gonflantes pour quatre sols de différente plasticité. Pour réalisé ces essais ils ont adopté deux états de retrait, la première teneur en retrait partiels et la seconde retrait total, pour cela ils ont simulé les températures de séchage typiques des états d’emplacement, deux des arrangements de retrait.

Ils ont trouvé que les cycliques de gonflement et rétrécissement à une influence marquée sur le comportement des argiles expansives, une diminution a observé des capacités de gonflement des argiles, correspondant à des possibilités réduites d’absorption de l’eau, quand les sols ont été alternativement mouillés et partiellement rétrécis . D’autre part, une augmentation du potentiel de gonflement a été notée quand les sols étaient rétrécis totalement. Dans les deux cas l’équilibre peut être atteint après plusieurs cycles sur les figures suivante (1.18 a 1.19). [3].

Figure 1.17 : Potentiel maximum du

gonflement et avec le nombre des

cycles pour le retrait partiel. [3].

Figure 1.18 : Potentiel maximum du

gonflement et avec le nombre des

cycles pour le retrait total. cité par [3].


34

Figure 1.19 : Pression du gonflement et avec le nombre des cycles pour le

retrait partiel. [3].

Figure 1.20 : Pression du gonflement et avec le nombre des cycles pour

le retrait total. [3].

Figure 1.21 : Changement de l’onde de la

vitesse ultrasonique avec le nombre des

cycles pour le retrait partiel et total. [3].

Figure 1.22 : Variation de indice de

vide avec le nombre des cycles pour

le retrait partiel et total. [3].

Ainsi ils ont recherché sur la vitesse ultrasonique, passant par l’échantillon qui s’est partiellement rétréci, augmenté avec nombre de cycles tout en diminuant une fois transmis par un échantillon soit rétrécis totalement. (Figure 1.21).mais pour indice de vide, augmenté avec nombre de cycles pour les échantillon totalement rétrécis et vise versa pour un échantillon partiellement rétrécis. (Figure 1.22).

7.2.9 Influence de la durée des essais

La durée d’essai est aussi un facteur influant sur l’estimation du gonflement. Il a été constaté que le gonflement est rapide durant les premiers jours d’essais, puis devient de plus en plus lent, et après une semaine le phénomène se stabilise. [41] .cette constations ce n’est pas toujours vrais par ce que nous avons trouvé des essais qui durée 15 jours ou plus pour atteindre la stabilisation.

Suivant la nature des sols étudiés, la stabilisation du gonflement peut être obtenue après plusieurs jours.

7.2.10 Influence de l’épaisseur


35

Figure 1.23 : Variation de H / H (soulèvement unitaire) en fonction de la profondeur, (Mouroux et al., 1987) cité par [41].

Le gonflement résultant à la surface d’un sol croît avec l’épaisseur du sol concerné par le gonflement.

Les courbes de variation des déformations relatives DH / H (%) en fonction de la profondeur ont généralement la forme de la courbe figurée sur la figure 1-24. Cette courbe est à rapprocher des courbes de calcul de tassement habituellement rencontré en mécanique des sols.

La pression du gonflement en surface va croître avec l’épaisseur du sol concerné par les variations de la teneur en eau ou des pressions de succion, cité par [5].

Figure 1.24 :Diagramme comparatif « pression de gonflement – diffusion de contrainte »

(Mouroux, 1989).cité par Aissa mamoune. cité par [5

Sur la figure, une tentative de relier la variation de la pression de gonflement à la diffusion des contraintes dues aux fondations dans le sol pour des constructions légères et lourdes est présentée. La distance qui sépare les courbes de diffusion des contraintes à celle de la pression de gonflement représente le potentiel de gonflement. Ce dernier est plus élevé dans le cas des constructions légères.

Dans le cas des variations saisonnières de la teneur en eau, et donc de l’état d’humidité du sol, on remarque que la pression de gonflement sera soumise à des


36

cycles de mobilisation et démobilisation entraînant des cycles de soulèvement et de tassement au niveau des fondations de la construction.

8 A N I S O T R O P I E D U G O N F L E M E N T E T A N I S O T R O P I E D E L A P R E S S I O N D E G O N F L E M E N T

L’anisotropie du gonflement et l’anisotropie de la pression de gonflement ont été peu étudiés. Elles sont dues, en particulier, au mode de consolidation et à la répartition des feuillets argileux. Elles peuvent être identifiées aux moyens d’essais expérimentaux ou par observation au moyen d’un microscope optique ou d’un microscope électronique.

La plupart des analyses expérimentales ont été effectuées sur des échantillons cylindriques mis en contact avec de l’eau et uniquement pour deux orientations de l’axe de l’échantillon par rapport aux plans de stratification de la roche ou de compactage des sols argileux.

L’anisotropie du gonflement ag et l’anisotropie de la pression de gonflement apg

x

zga

εε

= (2.8) x

zpg p

pa =

(1.9)

Qui sont respectivement le rapport entre le gonflement perpendiculaire et le gonflement parallèle au plan privilégié du matériau et le rapport entre la pression de gonflement perpendiculaire et parallèle à ce plan.

Dans le plan horizontal de stratification des roches argileuses, Shimada et al. [110] ont montré une isotropie de gonflement. En revanche, ils ont observé, suivant la direction normale aux strates, une anisotropie de gonflement bien marquée qui augmente avec le pourcentage des minéraux gonflants tels que les smectites.

Aux moyens des essais de gonflement libre et des essais monoaxiaux réalisés sur des roches argileuses, Murayama et Yagi, cité par [46], ont conclu que le coefficient d’anisotropie du gonflement est égal au coefficient d’anisotropie de la pression de gonflement.

Contrairement aux sols argileux, le coefficient d’anisotropie de gonflement est plus marqué pour les roches argileuses. A titre d’exemple, pour les sols argileux, les valeurs des coefficients d’anisotropie ag et apg se situent aux alentours de 1.1 (K.V.G.K. Gokhale et K.K. Jain.et A. Komornik et M. Livneh.et Z.H.E. Rogatkina), cité Par [46] , et sont généralement plus élevées pour les roches argileuses. La figure 2.17 montre que l’orientation des feuillets dans les sols argileux est aléatoire et ne présente pas une direction privilégiée. Cependant, les roches argileuses sont plus orientées et cela est dû à la transformation d’un sédiment en roche sous l’effet des processus de la diagenèse qui va de la compaction du sédiment à sa cimentation.


37

Figure. 1.24 : Différents modes de compaction selon T.H. Bennett et M.H. Hulbert, cité par [46].

Froehlich cité Par [46], a observé une forte anisotropie du gonflement pour des échantillons de roches argileuses. En moyenne, les déformations perpendiculaires aux couches de stratifications sont neuf fois supérieures à celles parallèles à ces mêmes couches. L’auteur a attribué cette forte anisotropie du gonflement à l’anisotropie de la structure de la roche argileuse.

L’influence des différents angles de stratification (0 °, 30 °, 60 °, 90 °) des bentonites compactés a été étudiée par Kabbaj, cité par [46], à partir des essais de gonflement œdomètriques sous contraintes et des essais de pression de gonflement. L’auteur a constaté une diminution du gonflement et de la pression de gonflement avec l’accroissement de l’angle de stratification ainsi qu’une diminution du coefficient d’anisotropie avec la charge appliquée. Il a attribué cette dernière diminution à la modification de la structure interne en cours de processus d’humidification sous charges.

A contrario de tout ce qui vient d’être dit, les essais de pression de gonflement effectués par Johnson, cité Par [46], à l’aide de l’appareil triaxial sur des échantillons d’argile intacts montrent une isotropie de la pression de gonflement malgré la présence d’une anisotropie structurelle. L’auteur a attribué ce phénomène à la succion réagissant d’une manière isotrope.

3 . C O N C L U S I O N

Les matériaux argileux, que ce soient les sols ou les roches, sont très fréquents et couvrent une partie considérable du globe terrestre. La maîtrise du phénomène de gonflement demande de grandes connaissances afin de minimiser les dégâts occasionnés par ce phénomène sur les différents ouvrages construits en formations argileuses.

Dans un premier temps, une brève présentation des conséquences du gonflement sur le comportement des ouvrages géotechniques. Après, il convient à présent d’étudier plus en détail les caractéristiques et de la texture des matériaux argileux.


38

En plus, les interactions entre cations inorganiques et surfaces argileuses dépendent de quatre facteurs tels que (1) le rayon des cations non hydratés, (2) la charge des cations, (3) leur énergie d’hydratation, (4) les interactions spécifiques. Plus les deux premiers paramètres sont élevés et plus le troisième est faible, plus les interactions sont fortes. Ces trois premiers facteurs sont généralement à l’origine de liaisons fortes entre un cation et une surface négativement chargée. Le quatrième est plus caractéristique d’interactions spécifiques entre un cation et une argile donnée.

Aussi, la notion de la double couche diffuse nous permet de conclure que le phénomène de gonflement peut être expliqué selon ce modèle et surtout en interaction en milieu aqueux.

Enfin, nous avons défini les divers facteurs affectant le gonflement, l’influence des facteurs intrinsèques et facteurs externes sur le potentiel et la pression du gonflement. Aussi, une revue sur quelques résultats de recherches publiés par divers auteurs dans ce domaine. Il s’agit de la densité sèche, la teneur en eau initiale et la hauteur d’échantillon qui influe d’une façon directe sur la mesure des paramètres du gonflement.

Chapitre 02

APPROCHES THEORIQUES DE GONFLEMENT

1 INTRODUCTION

Les différents mécanismes détaillés dans le chapitre précédent ont été intégrés dans diverses approches permettant de modéliser le gonflement d’un matériau argileux mis en contact avec un fluide et soumis à un régime de contraintes.

Le développement d’un modèle, faisant intervenir les aspects électrochimiques et mécaniques, constitue une tache très ardue en géotechnique.

Trois types d’approches sont habituellement utilisés. Chacune de ces approches aborde le problème d’une façon différente.

Pour les matériaux fortement gonflants qui contiennent une quantité élevée de smectite, l’approche de la double couche est la plus scientifiquement utilisée. Elle repose sur les caractéristiques microscopiques des minéraux argileux et sur les propriétés de l’électrolyte. L’explication de cette approche est complétée par un exemple sur la bentonite où est mise en relief l’influence de la contrainte et de la concentration de la solution sur le gonflement.

Les approches phénoménologiques s’appuient généralement sur la succion totale introduite dans la notion de contrainte effective. Ce type d’approches est le plus utilisé par les modèles couplés basés sur diverses lois d’écoulement de l’eau ou de la vapeur d’eau dans les milieux faiblement poreux. Les approches du gonflement sont les plus exploitées pour les matériaux argileux subissant une saturation définitive. Soit elles ont été établies à la phase ultime de stabilisation qui correspond au gonflement le plus prononcé, soit elles font intervenir le temps d’hydratation.

Par la suite, on va présenter les deux modèles, complexation de surface et échangeur d'ions, ont été très largement utilisés dans la littérature pour interpréter les mécanismes d'adsorption des cations, alcalins ou autres éléments métalliques, avec les minéraux argileux.

Chapitre Approche théoriques de gonflement

40

2 APPROCHE DU DOUBLE COUCHE

2.1. DOUBLE COUCHE ELECTRIQUE

A l’interface entre une surface chargée et une solution électrolytique, il existe une couche de solution, notée "double couche", possédant des propriétés différentes de celles du réservoir. Plusieurs modèles successifs ont été élaborés pour décrire cette double couche.

2.1.1 Modèle de Gouy-Chapman

La théorie de la double couche électrique a été proposée initialement par Gouy et

Chapman en 1910. Elle repose sur l' existence, à proximité d' une surface chargée, d' une

couche dite diffuse possédant des propriétés différentes de celles du réservoir et qui, au-delà

d' une certaine distance (longueur de Debye), récupère les propriétés du réservoir

électrolytique (potentiel nul, concentrations en ions identiques à celles du réservoir). Dans

cette couche diffuse, la distribution des contre-ions et des coions est déterminée à la fois par

les interactions électrostatiques avec la surface, et par les mécanismes de diffusion liés à

l’agitation thermique, qui tendent à rétablir l’équilibre avec le réservoir (Figure 2.1).

L’équation de Poisson-Boltzmann permet d’accéder aux profils du potentiel électrique dans

la couche diffuse et des concentrations ioniques au-delà de la surface chargée. Dans ce

modèle, les ions sont considérés comme ponctuels et le solvant. [39] Comme un continuum

diélectrique, hypothèses non satisfaisantes surtout lorsqu'on se trouve à proximité de la

surface chargée. Il a donc été indispensable de définir un nouveau modèle permettant de

rendre

Figure 2.1 : Modèle de Gouy-Chapman cité Par [39]

2.1.2 Modèle de Stern

Ce modèle a été introduit en 1924. L'interface solide-solution se décompose alors en deux parties (Figure 2.2). La première partie est une couche dite compacte (couche de Stern) d'épaisseur d matérialisant la distance minimum d'approche des ions, hydratés ou non. Cette couche est donc exempte d'ions et peut être identifiée comme un condensateur de capacité Cs. La deuxième partie de l'interface est


41

constituée par la couche diffuse, dont les caractéristiques sont les mêmes que dans le modèle précédent. Le plan séparant la couche compacte de la couche diffuse est noté plan de Stern.

Figure 2.2 : Modèle de Stern, cité Par [39]

2.1.3 Modèle triple couche

Dans ce modèle, introduit en 1947, la couche de Stern est elle-même subdivisée en deux parties (Figure 2.3). La première est située entre la surface et le plan interne de Helmholtz (PIH). C'est une couche où seuls les ions présentant une interaction forte avec la surface (ions spécifiquement adsorbés)

Peuvent se loger, en perdant partiellement ou totalement leur sphère d'hydratation (complexes de sphère interne). Le centre de ces ions est localisé au niveau du PIH, et cette couche peut être définie comme un condensateur de capacité Ci. La deuxième partie est comprise entre le PIH et le plan externe de Helmholtz (PEH), confondu avec le plan de Stern. Elle prend en compte, comme la couche de Stern, les ions hydratés retenus par les forces électrostatiques. Du point de vue électrique, cette couche se comporte comme un deuxième condensateur de capacité. [39].

Figure 2.3 : Modèle triple couche [39]

Dans ces trois modèles, l'épaisseur de la couche diffuse apparaît comme un paramètre essentiel, permettant de caractériser la décroissance du potentiel. Cette


42

épaisseur, appelée longueur de Debye et notée, dépend de la force ionique de la solution. Elle diminue lorsque la force ionique augmente.

L'expression de la longueur réciproque de Debye est la suivante :

(2.1)

Où

∞iγ : Est la concentration de l'ion i dans le réservoir

zi est la charge de l'ion i.

Par ailleurs, dans chacun de ces modèles, le plan de la surface accueille lui-même les ions déterminant le potentiel, comme H+ et OH- en général, ou des ions participant à la structure du minéral. Pour chacun des ions déterminant le potentiel, peut être définie une loi d'action de masse décrivant son association avec un site de surface. La charge de surface est alors calculée en tenant compte de ces équilibres d'association, et dépend par conséquent à la fois des constantes d'équilibre, des concentrations en ions déterminant le potentiel dans la solution, et du nombre total de sites de surface.

2.2 POTENTIEL ZETA

Lorsqu'on applique un champ électrique dans une suspension contenant des particules chargées, les particules acquièrent une certaine mobilité dépendant de leur charge et de leur cortège ionique. Il existe alors au sein de la double couche un plan délimitant deux comportements d'ions différents. Les ions présentant une affinité spécifique pour la surface accompagnent la particule dans son mouvement, alors que les ions ayant une attirance plus faible se séparent progressivement de la surface. Ce plan, appelé plan de cisaillement, est défini à partir de considérations hydrodynamiques. Cependant, il est possible de le relier à la description chimique de la double couche. En effet, il est généralement très proche du plan délimitant la couche compacte de la couche diffuse, dit plan externe de Helmholtz. [39]

Le potentiel au plan de cisaillement est couramment noté potentiel zéta ou ζ. Il dépend principalement de deux paramètres : le potentiel au plan interne de Helmholtz, qui peut être du signe opposé au potentiel de surface dans le cas d'une adsorption spécifique, et la force ionique de la solution, comprimant plus ou moins la double couche électrique. Le potentiel zéta est accessible expérimentalement par des mesures électrocinétiques. [39]

Cette théorie d’origine électrique suppose que la double couche soit composée d’une couche fixe liée au solide et d’une couche diffuse en affinité avec les particules argileuses. L’attraction des cations par la surface argileuse entraîne une modification


43

de la concentration en ions par rapport à l’interface des particules. Cette variation de concentration en fonction du potentiel est répartie dans la double couche selon la statistique de Boltzmann [39] :

(2.2)

ni est le nombre d’ion/m3, Zi est la valence de l’ion, e est la charge d’un électron (1.6 .10-19 C), e est le potentiel électrique (V ), K b est la constante de Boltzmann (13.8 .10-24 J/K) et T est la température absolue (°K).

Cette équation décrit la distribution des ions en fonction du potentiel électrique. Dans le cas de la double couche, ce potentiel n’est pas constant mais décroît en fonction de la distance par rapport à la surface de la particule. Il est décrit, en unidimensionnel, par l’équation de Poisson-Boltzmann qui peut être écrite d’une manière simplifiée :

(2.3)

(2.4)

Ainsi, le potentiel électrique diminue de façon exponentielle si l’on s’éloigne de la surface du feuillet. L’insertion de l’équation 2 4 dans l’équation 2.3 nous permet de calculer les profils de densités de cations ou d’anions en fonction de la distance par rapport à l’interface solide-liquide.

Les chercheurs ont communément fait référence à l’épaisseur de la double couche

qui correspond à la distance Il ne s’agit donc pas réellement d’une épaisseur mais elle permet de visualiser l’effet de différents paramètres sur l’extension de la double couche. L’épaisseur de la double couche diffuse H DC est alors définie par l’équation suivante:

(2.5)

2.3 INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES SUR LE GONFLEME NT

D’après la théorie de la double couche, il est aisé d’en déduire les constatations suivantes [46] :

� l’augmentation de la concentration en solution entraîne une diminution de l’épaisseur de la double couche diffuse,

� lorsque la valence de l’électrolyte augmente, l’épaisseur de la double couche


44

diffuse diminue,

� l’augmentation du constant diélectrique entraîne une augmentation de l’épaisseur de la double couche,

� l’augmentation de la température accroît l’épaisseur de la double couche diffuse.

2.4 FORCES ELECTROSTATIQUES

Les feuillets argileux sont soumis à trois forces par unité de surface dont deux de nature répulsive et l’autre attractive du type Van der Waals [46] :

1. ∏r: Force de répulsion,

2. ∏a : Force d’attraction de Van der

3. ∏h: Force d’hydratation.

La résultante des forces, qui est de nature répulsive, diminue avec l’augmentation de la distance interfoliaire, autrement dit avec le gonflement.

2.4.1 Force de répulsion

Une force répulsive est générée entre deux feuillets parallèles de distance 2d. Cette force par unité de surface dérive de la distribution du potentiel électrique et est écrite sous la forme [46] :

(2.6)

Avec :

(2.7)

Et

(2.8)

CEC est la capacité d’échange cationique (mequi.g-1) et S est la surface spécifique (m2.g-1). Cette pression de nature répulsive n’est pas la pression osmotique, bien que certains auteurs l’appellent ainsi.[46].

2.4.2 Force d’attraction

La force de Van der Waals est de nature attractive. Elle génère une énergie d’attraction qui est inversement proportionnelle à la distance qui sépare les deux


45

feuillets. Elle peut être écrite comme suit [46] :

(2.9)

Ah est la constante de Hamaker et varie de 2.10-20 à 5.10-20J, t est l’épaisseur du feuillet (m).

2.4.3 Force d’hydratation

En théorie, lorsque la distance interfeuillet est réduite, les forces d’attraction dominent les forces de répulsion, autrement dit il n’y a pas de gonflement. Expérimentalement, ce phénomène ne se vérifie pas.

La force supplémentaire de répulsion est attribuée au changement de liaison d’hydrogène dans l’eau adjacente aux feuillets argileux et prévient l’effondrement de la double couche. Cette force n’est pas prise en compte dans la théorie DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) qui est basée uniquement sur les forces de répulsion et d’attraction.

La force supplémentaire de répulsion, appelée force d’hydratation, peut être écrite sous la forme suivante [46]:

(2.10)

λ varie de 0.6.10-9 à 2.10-9 m , kh varie de 3.106 à 30.106 J.m-3. Pour une valeur

élevée de K h correspond une faible valeur de λ . La résultante des forces au centre de deux feuillets FR(d) est alors la forme suivante :

(2.11)

2.5 PASSAGE MICRO-MACRO

Le passage micro-macro reste le plus délicat. Il impose que le matériau argileux soit pur et homogène (dimensions des feuillets et espaces interfeuillets identiques) et que les feuillets restent parallèles durant le processus de gonflement.

Dans ce cas, la distance 2d interfeuillet est reliée à l’indice des vides ev par cette approximation [46]

(2.12)

Avec :


46

(2.13)

γs et Vs sont respectivement la densité et le volume des particules solides, Sf et Nf sont respectivement la surface d’un feuillet et le nombre de feuillets argileux. Si

l’argile n’est pas pure et contient une fraction θ de minéraux argileux, on peut écrire :

(2.14)

3. APPROCHES PHENOMENOLOGIQUES

Ces approches sont destinées aux milieux non saturés bien que certains auteurs aient introduit la notion de succion totale afin d’intégrer le rôle de la chimie. La pression générée due à cette succion est supposée isotrope.

Deux types de modèles sont à distinguer:

• les modèles en contraintes effectives,

• le modèle d’Alonso et Gens.

3 . 1 MODELES EN CONTRAINTES EFFECTIVES

Ce type d’approche est basé sur le principe développé par Terzaghi qui suppose que, dans un milieu poreux saturé et non réactif, la contrainte appliquée est égale à la somme de la pression interstitielle supportée par la phase aqueuse P avec la contrainte effective supportée par la phase solide :

(2.15)

Biot puis Vincké et al, [46] ont amélioré la formulation de Terzaghi par l’introduction des coefficients de Biot Oij qui dépendent de la compressibilité du squelette et du solide. Dans le cas o`u le matériau est isotrope, on peut écrire :

(2.16)

Le modèle présenté rejoint celui de Terzaghi dans le cas où 1=β , ce qui est équivalent à dire que le squelette est déformable et incompressible.

Dans un milieu non saturé et non réactif, Bishop et al, [46] ont été parmi les premiers à avoir formulé un modèle basé sur la contrainte effective pour modéliser le comportement des sols non saturés suite à une variation de succion (ua - uw) . Ce modèle peut s’écrire sous la forme suivante :


47

(2.17)

f est un paramètre fonction du degré de saturation.

Croney et al, [46] ont utilisé la notion de contrainte effective pour simuler le

comportement des sols non saturés par l’introduction d’un paramètre d’état'β . Leur

modèle est le suivant :

(2.18)

Ces différentes expressions de la contrainte effective sont utilisées dans le cas d’un matériau non saturé et ne présentent pas d’interactions physico-chimiques entre la phase solide et la phase liquide.

La prise en compte de l’effet physico-chimique des argiles se traduit par l’ajout à la contrainte effective des contraintes isotropes de répulsion (R) et d’attraction (A).

La figure 2 4 illustre les forces électrostatiques d’une part et la pression des pores d’autre part. Ces forces sont maintenues par les liaisons de cimentation dont les propriétés mécaniques varient avec l’imbibition.

Figure. 2.4 Forces microscopiques [46]

Lambe cité Par [46] a suggéré d’ajouter à la formulation de Terzaghi les forces électrostatiques de répulsion (R) et d’attraction (A).

(2.19)

Pour les milieux non saturés, Sridharan et Venkatappa cité Par [46], ont proposé la formulation suivante:

(2.20)

La difficulté réside dans la détermination de ces forces électrostatiques qui sont reliées aux propriétés microscopiques des argiles.


48

Fonesca et Chenevert, cité par 46] ont utilisé l’activité de l’eau des pores pour déterminer la force électrostatique (R - A) d’une argilite mise en contact avec de l’eau :

(2.21)

Dans le cadre du forage pétrolier, Lal, cité Par [46] a pris en compte l’efficacité u de l’argilite pour déterminer la pression des pores :

(2.22)

Pw est la pression de la boue de forage, Pc est la pression capillaire et π∆ est la pression osmotique.

Ghassemi et Diek et Sherwood cité Par [46] ont utilisé le potentiel chimique afin de déterminer les déformations des argilites mises en contact avec des solutions chimiques.

L’effet de la chimie est pris en compte par une différence de potentiel chimique entre les constituants de l’eau des pores et la solution chimique externe.

Dans le cadre de la poroélasticité linéaire, leur formulation est la suivante (pour la convention de signe, les contraintes de compression sont positives) :

(2.23)

βµet βw

sont respectivement le potentiel chimique et le coefficient osmotique de

l’espèce ionique β . Pour simplifier l’expression des potentiels chimiques, on suppose que l’eau des pores et la solution externe sont non idéales. Le potentiel chimique µ, rapporté au volume molaire de l’eau, peut écrire :

(2.24)

La contrainte chimique générée peut être écrite sous la forme suivante

(2.25)

Dans le cas où la contrainte appliquée est constante, on peut écrire :


49

(2.26)

Au temps de stabilisation, le gonflement est :

(2.27)

Lorsque le tenseur d’élasticité est indépendant du potentiel chimique, le gonflement ne varie pas avec la contrainte initialement appliquée. Cela n’a pas été observé par l’approche de la double couche.

Les différentes formulations mentionnées ne sont pas spécifiques aux milieux argileux car la force osmotique n’est pas celle de répulsion électrostatique.

Une simple comparaison entre les essais de gonflement libre effectués par Daupley cité Par [46] sur l’argilite de Tournemire et par Aboubeker et Mamoune cité Par [46], sur la bentonite de Maghnia nous amène à penser que le potentiel chimique n’est pas un facteur déterminant du gonflement. Bien que le gonflement diminue avec la concentration du sel dissous, l’argilite de Tournemire réagit davantage avec le NaCl alors que la bentonite réagit, quant à elle, avec le CaCl2.

En raisonnant en potentiel chimique, il faut que le gonflement soit plus élevé pour un sel de NaCl que pour un sel de CaCl2. Cependant, cette hiérarchie n’a pas été observée sur la bentonite.

Afin de prendre en compte les effets électrochimiques entre l’eau des pores et la solution externe, Molenaar et Huyghe cité Par [46] ont utilisé le potentiel électrochimique qui peut s’écrire sous la forme suivante :

(2.28)

βe est la charge électrique de l’espèce ionique β , F est la constante de Faraday et

e est le potentiel électrique.

Cette formulation est utilisée dans une formulation semblable à celle de l’équation 2.28. Mécaniquement, les essais d’effondrement effectués par Jennings et Burland puis par Cui et al, cité Par [46], font apparaître la limite du concept de la contrainte effective.

Cui et al, cité Par [46], ont effectué des essais de gonflement œdométriques sur des échantillons de Loess de Picardie. Les échantillons sont imbibés sous contraintes constantes élevées, ce qui entraîne leur effondrement.

Ce comportement (gonflement ou effondrement) dépend de la contrainte


50

appliquée. Si on résonne en contrainte effective, l’imbibition des matériaux argileux entraîne une diminution de la contrainte effective, puis un gonflement, ce qui n’est pas observable expérimentalement pour des contraintes dépassant une certaine limite.

Pour une contrainte nulle, Freissmuth cité Par [46], a observé un effondrement complet des échantillons d’argilite de Bure lorsqu’ils sont immergés dans l’eau. Cet effondrement ne peut pas être aussi expliqué par la notion de contrainte effective.

3.2 MODELE D’ALONSO ET GENS

Alonso et al, cité par cité Par [46], ont développé un modèle élasto-plastique étendant le modèle de Cam-Clay aux milieux non saturés. Ce modèle permet d’expliquer plusieurs phénomènes :

• Augmentation de la cohésion avec l’augmentation de la pression de consolidation, développement d’un gonflement réversible suite à la diminution de la succion sous faibles contraintes de confinement,

• Effondrement du sol si la succion diminue sous de fortes valeurs de contraintes de confinement,

• Déformations volumiques irréversibles pour des succions dépassant la limite élastique de succion.

Le modèle est basé sur deux surfaces de charge :

• La première est liée au comportement mécanique de type Cam-Clay LC (Loading Collapse),

• La deuxième est liée à la succion SI (Suction Increase).

Les surfaces de charge délimitent une zone élastique réversible et sont exprimées de la façon suivante:

(2.29)

(2.30)

p0 est la pression de surconsolidation, s0 est un paramètre de surconsolidation lié à la succion, il s’agit de la valeur maximum de succion subie dans l’histoire hydrique du sol.

Si le chemin de contraintes ou de succions dépasse la zone élastique, il se produit une déformation irréversible et un écrouissage du matériau qui fait évoluer les surfaces de charge.


51

Figure. 2.5 : Surfaces de charge sous chargement isotrope [6] cité Par [46]

Le modèle d’Alonso et Gens présente une certaine limitation en terme de réversibilité. En effet, un essai de gonflement-retrait sans contrainte, effectué sur l’argilite de Bure à une température de 30°C et pou r un chemin d’humidification par paliers correspondant à Hr : 60–70–80 % suivi par une dessiccation jusqu’à Hr de 70 %, se manifeste par une irréversibilité (Figure 2.5).

Cependant, l’humidité relative initiale est approximativement égale à 47 % cor-respondant à une succion initiale S0 de 105.76 MPa.

D’après ce modèle, le chemin d’humidification-dessiccation suivi reste dans le domaine élastique et cela pour une pression d’air égale à la pression atmosphérique (ua = 0).

Par ailleurs, ce modèle ne peut pas être étendu aux sols gonflants. Ceci est dû principalement à la complexité des phénomènes à l’échelle microscopiques, surtout d’ordre chimique.

De plus, la modélisation nécessite un grand nombre de données expérimentales et difficilement applicables pour des roches anisotropes comme l’argilite. Le modèle est basé sur des notions caractéristiques des sols comme le comportement sousconsolidé et surconsolidé.

4 APPROCHES BASEES SUR DES MODELES DE GONFLEMENT

Ce type d’approches est basé sur des expériences réalisées en laboratoire. Ces approches ne prennent en considération ni les caractéristiques mécaniques du matériau argileux (module Young, coefficient de Poisson, ...) ni les propriétés électrochimiques des minéraux argileux. Trois types de modèles sont à distinguer :

• les modèles indépendants du temps,

• les modèles dépendants du temps, • les modèles basés sur l’humidité relative et sur l’activité.

4.1 MODELES INDEPENDANTS DU TEMPS

Ces modèles ne prennent en compte ni le temps ni le chimisme de la solution d’hydratation, le gonflement obtenu correspondant au gonflement maximal au temps


52

infini ou au temps de stabilisation. On en distingue deux :

• Les modèles unidirectionnels,

• Les modèles tridirectionnels.

4.1.1 Modèles unidirectionnels

Huder et Amberg cité Par [46], ont relié la déformation axiale du gonflement gε au

logarithme de la contrainte axiale aσ par une équation linéaire de la forme suivante :

(2.31)

K est l’indice de gonflement, gε est la pression de gonflement.

Cette équation n’est valable que pour les contraintes aσ comprises entre cσ et

gσ cσ est la contrainte en-dessous de laquelle il n’y a plus de gonflement.

La formulation générale de la loi peut être écrite de la manière suivante:

(2.32)

4.1.2 Modèles tridirectionnels

Wittke et al, cité Par [46], se sont appuyés sur le modèle d’Huder et Amberg pour passer du gonflement unidirectionnel au gonflement tridirectionnel en se basant sur un comportement élastique linéaire isotrope.

D’après leur modèle : c’est la contrainte moyenne qui commande

le gonflement. Dans le cas œdométrique, la déformation volumique vε est égale à la

déformation axiale aε .

En utilisant l’équation d’Huder et Amberg, le gonflement tridirectionnel peut alors être écrit comme suit :

(2.33)

gII ε et g

II σ sont respectivement les premiers invariants des déformations et des

contraintes.


53

Froehlich, cité Par [46], s’est basé sur des essais de gonflement non confinés latéralement réalisés sur des roches argileuses et sur le modèle d’Huder et Amberg pour mettre en évidence une forte anisotropie du gonflement à cause de la répartition parallèle des feuillets argileux. Il a développé un modèle élastique isotrope qui prend en considération le gonflement normal au plan de la stratification en négligeant le gonflement parallèle à ce plan. Le modèle peut s’écrire de la manière suivante :

(2.34)

(2.35)

jiijn n ..σσ = est la contrainte normale à la stratification, n est le vecteur normal à la

stratification, E est le module de Young et ν est le coefficient de Poisson.

Anagnostou, cité Par [46], s’est inspiré du modèle d’Huder et Amberg pour développer un modèle de gonflement tridirectionnel pour des matériaux argileux

anisotropes. Le tenseur du gonflement gε peut s’écrire comme suit :

(2.36)

σ Est le tenseur des contraintes totales, gσ est le tenseur des pressions de

gonflement, β est le tenseur d’anisotropie et K est l’indice de gonflement. Le

tenseur d’anisotropie β s’écrit de la forme suivante :

( 2.37)

Le paramètre aβ permet d’étudier le caractère anisotrope de gonflement. A titre

d’exemple :

Pour aβ = 0, le gonflement est isotrope et ne possède pas de directions

privilégiées,

Pour aβ = 1, le gonflement est marqué suivant la direction normale à la

stratification. Par contre, le gonflement parallèle à la stratification est nul.


54

L’influence de la pression de confinement U3 sur le gonflement axial e1 des roches argileuses a été étudiée par Yesil et al, cité Par [46], au moyen de l’appareil triaxial. D’après les auteurs : le gonflement axial augmente avec la pression de confinement. Le modèle peut s’écrire de la forme suivante :

(2.38)

a, b, c et d sont les paramètres du modèle dépendant du pourcentage des minéraux argileux, de la teneur en eau initiale et de la température.

4.2 MODELES DEPENDANTS DU TEMPS

Parmi les modèles dépendants du temps, on en distingue deux :

• les modèles unidirectionnels,

• les modèles tridirectionnels.

4.2.1 Modèles unidirectionnels

A partir des essais de gonflement libre œdométrique effectués sur des sols argileux, Dakshanamurthy, Vayssade, Parcevaux , Sivapullaiah et al et Al-Mukhtar et al, cité Par [46], ont représenté l’évolution du gonflement en fonction du temps par une fonction hyperbolique en forme de S. Ces auteurs ont distingué trois types de gonflement :

• Gonflement intervide : correspondant au remplissage des vides des matériaux non gonflants: ce gonflement n’est pas apparent macroscopiquement, il dépend de l’indice des vides et du pourcentage des matériaux gonflants et non gonflants.

• Gonflement primaire : dû à l’hydratation des minéraux argileux : il est le plus rapide à se manifester et présente la plus grande ampleur.

• Gonflement secondaire : dû à la formation de la double couche diffuse : il se manifeste lentement avec une faible vitesse de gonflement.

Leur approche, intégrant ces trois types de gonflement, peut être simplifiée par l’équation suivante :

(2.39)

G est le taux de gonflement maximal pour un temps infini et B est le temps du demi-gonflement.

4.2.2 Modèles tridirectionnels

La modélisation de l’évolution du gonflement tridirectionnel en fonction des contraintes a été étudiée aux moyens des essais de déchargement de la contrainte axiale en mesurant simultanément le gonflement axial et horizontal des échantillons


55

mis en contact avec de l’eau.

Kiehl a effectué des essais de gonflement tridirectionnel sur des roches argileuses. Il a montré, à partir des résultats, que le gonflement dans une direction principale i, induit par un déchargement, dépend uniquement de la contrainte normale suivant cette direction. La formulation analytique de la loi du gonflement s’écrit de la manière suivante :

(2.40)

Avec :

(2.41)

Suivant une direction i, on distingue le gonflement giε , la pression de gonflement

giσ et l’indice de gonflement Ki.

Lo et Lee, cité Par [46], ont développé un modèle pour tenir compte de l’évolution du gonflement des roches argileuses anisotropes en fonction du temps.

D’après ce modèle : l’application de la contrainte dans une direction principale non seulement supprime le gonflement dans cette direction mais réduit aussi le gonflement dans les autres directions orthogonales.

Dans le cas uniaxial et pour des matériaux orthotropes, le modèle peut s’écrire de la forme suivante:

(2.42)

(2.43)

aσ et 0σ sont respectivement le gonflement axial (Dh étant le gonflement radial)

pour une contrainte axiale de 1 KPa et l’indice de gonflement axial (Sh est l’indice du gonflement radial). La cinétique du gonflement est décrite par le coefficient ng. Plus Sh diminue, plus le gonflement radial devient indépendant de la pression axiale.

Hawlader et al, ont amélioré le modèle de Lo et al, cité Par [46], par introduction d’un pseudo coefficient de Poisson. D’après les auteurs : l’application de la contrainte suivant une direction principale réduit le gonflement suivant les trois directions.


56

Le modèle consiste à passer d’une situation triaxiale à une situation uniaxiale par ajout de contraintes virtuelles.

A titre d’exemple, pour calculer le gonflement, suivant la direction x, d’un

échantillon soumis à des contraintes principales ( xσ , yσ zσ ), il suffit d’ajouter à la

contrainte xσ deux autres contraintes virtuelles xy*σ et xz

*σ . Le vecteur des

contraintes virtuelles devient ( xTSσ , 0, 0).

En général, la contrainte à appliquer suivant une direction i nécessaire à éliminer les effets des autres contraintes peut être écrite sous la forme :

(2.44)

Avec

(2.45)

Et

(2.46)

Le gonflement généré est alors égal :

(2.47)

mi (0) est le gonflement pour une contrainte égale à cσ et TSiR est le coefficient de

réduction du gonflement suivant une direction i qui peut s’écrire de la manière suivante :

(2.48)

cσ est une pression de référence, ijR est le coefficient de réduction du

gonflement suivant la direction i due à une contrainte suivant la direction j et *ijσ est

la contrainte virtuelle appliquée suivant la direction i.

Pour une direction principale i, l’évolution du gonflement en fonction du temps suit une loi logarithmique :


57

(2.49)

t0 est un temps de référence et mi est le potentiel de gonflement.

Ce modèle suppose que les pressions de gonflement suivant les trois directions

sont identiques et valent gσ . Cependant, l’anisotropie du gonflement est introduite

par mi(0).

4.3 MODELES BASES SUR L’HUMIDITE RELATIVE OU L’ACTI VITE

Huang et Azar cité Par [46], ont développé un modèle empirique pour prédire la pression de gonflement maximale des échantillons d’argilites immergés dans l’eau dans des conditions uniaxiales.

Les auteurs ont développé un coefficient d’activité IHr égal à la variation relative de masse d’un échantillon (initialement séché dans l’étuve) mis en équilibre avec une humidité relative de 20 % puis de 100 %.

D’après les essais effectués sur des roches possédant différentes humidités initiales, les auteurs ont déduit que le coefficient IHr est un bon indicateur du comportement des argilites immergées dans l’eau. Ils ont distingué trois cas :

o IHr < 1 ⇒ la roche est stable (pas d’influence de l’eau),

o 1 < IHr < 4 ⇒ la roche est susceptible d’agir avec le changement du degré hygrométrique,

o 4 < IHr < 7 ⇒ la roche se détériore complètement lors de son immersion dans l’eau. La pression du gonflement maximale Pmax des échantillons immergés dans l’eau augmente avec l’augmentation du coefficient d’activité IHr et avec la diminution de l’humidité relative initiale Hr (%) :

(2.50)

Les effets de la température T (°C) et de l’humidit é sur le gonflement libre maximal Smax et la pression du gonflement maximale Pmax ont été étudiés par Wang et al. et Huang et al, cité Par [46], à partir d’une série d’essais expérimentaux réalisés en laboratoire sur des échantillons de roches argileuses. Ces deux grandeurs sont décrites par les équations suivantes :

(2.51)

La pression de gonflement maximale ainsi que le gonflement maximal correspondant à une enveloppe des mesures des différentes roches testées.


58

La prise en compte de l’activité chimique de l’eau des pores ap et du fluide hydratant as a été adoptée par Yew et al, cité Par [46], afin de modéliser le

gonflement gε et le retrait rε des argilites sans contraintes. Leur modèle est basé

sur la notion d’activité relative ar définie comme suit

(2.52)

Selon ce rapport, trois cas sont à considérer :

o ar < 1 ⇒ l’argilite absorbe l’eau et gonfle. Le gonflement est alors décrit par l’équation suivante :

(2.53)

o ar > 1 ⇒ l’argilite désorbe l’eau et se contracte. Le retrait est alors écrit de la manière suivante:

(4.54)

o ar = 1 ⇒ l’argilite ne réagit pas.

Kad et Kds sont respectivement les coefficients d’adsorption et de désorption et sont déterminés expérimentalement.

5. LES MODELES DE L'ADSORPTION

Deux types de modélisation des phénomènes d’interaction des ions avec les argiles ont été relevés dans la littérature [39]:

• Le premier s’intéresse à l’aspect moléculaire de l’adsorption, en considérant des mécanismes de complexation de surface ou d’interaction électrostatique entre les ions et la surface chargée du matériau.

• Le deuxième type de modélisation rend compte des phénomènes au niveau macroscopique, c’est la théorie des échangeurs d’ions.

5.1 LES MODELES DE COMPLEXATION DE SURFACE

5.1.1. Complexes de sphère interne et externe

Les complexes qui se forment entre des groupements fonctionnels de surface et des constituants d'une solution aqueuse peuvent se classer en deux grandes catégories, de manière analogue aux complexes formés uniquement en solution aqueuse. [39].

Si aucune molécule d'eau ne s'interpose entre le groupement fonctionnel de surface et la molécule ou l'ion auquel il est lié, le complexe est dit de sphère interne.

Si une molécule d'eau au moins s'interpose entre eux, le complexe est dit de


59

sphère externe (Figure 1.8).

De manière générale, les complexes de sphère externe mettent en jeu des mécanismes électrostatiques, et sont souvent moins stables que les complexes de sphère interne, qui eux mettent en jeu des liaisons ioniques, voire covalentes. [39].

Figure 2.6. a: Complexe de sphère interne, ). b: Complexe de sphère externe [39]

Il n'y a pas de molécules d'eau entre le cation et la surface. C'est le cas des cations de faible énergie d'hydratation, ici le césium (280 kJ/mol) sur la figure (2.6.a).

La figure (2.6.b) monte la complexe de sphère externe, le cation reste totalement hydraté. C'est le cas des cations possédant une énergie d'hydratation élevée, comme le sodium (421 kJ/mol). [39].

5.1.2 Les différents mécanismes d'adsorption

L'environnement moléculaire perturbé de la surface argileuse, dû à la réduction du degré de coordination des ions par rapport à la structure interne des feuillets, donne lieu à une réactivité de surface avec les solutés présents dans la solution aqueuse. Cette réactivité produit une accumulation de matière à l'interface liquide - solide.

Si aucune structure moléculaire tridimensionnelle (précipité de surface) ne se développe, ce processus d'accumulation est noté adsorption. [39].

Trois principaux mécanismes d'adsorption ont pu être clairement identifiés [39]:

• Tout d'abord il peut se former des complexes de sphère interne, qui mettent alors en jeu la cavité hexagonale des argiles

• Ensuite, les cations adsorbés peuvent apparaître sous forme de complexes de sphère externe, qui incluent la sphère de solvatation des cations. Enfin, si l'ion solvaté ne forme pas de complexe avec un groupement fonctionnel chargé de la surface, mais interagit avec la surface seulement de façon délocalisée, il se trouve alors dans ce qu'on appelle une couche diffuse.

• Ce dernier mécanisme "d'adsorption" met en jeu des ions qui demeurent totalement dissociés de la surface et sont libres de se déplacer dans la solution aqueuse environnante.

La formation d'une couche diffuse, comme celle de complexes de sphère externe, fait essentiellement intervenir des liaisons de type électrostatiques, et ces deux


60

mécanismes peuvent être décrits comme de "l'adsorption" non spécifique. Ces espèces solvatées sont couramment appelées ions échangeables. En revanche, la complexation en sphère interne, qui fait intervenir des liaisons ioniques ou covalentes, peut être décrite comme une adsorption spécifique. Elle peut intervenir même si l'ion et la surface sont de même signe, et il est possible que la quantité d'ions adsorbés excède la charge de surface du minéral, conduisant alors à une inversion de la charge. [39].

5.1.3 Sélectivité de l'adsorption

Dans un échange non sélectif, la proportion relative des cations (typiquement ceux possédant une énergie d'hydratation élevée, comme le lithium, le sodium ou le calcium) "adsorbés" par l'argile est égale à leur proportion relative en solution. Au contraire dans le cas d'une adsorption sélective, certains cations (typiquement ceux qui ont de petites sphères d'hydratation comme le césium ou le potassium) sont préférentiellement adsorbés par l'argile. La fixation des cations (spécificité) et la sélectivité de l'échange sont déterminées par l'interaction de deux forces : la force d'attraction du cation pour sa sphère d'hydratation, et l'attraction électrostatique entre le cation et l'argile. [39].

6. THEORIE DES ECHANGEURS D'IONS

6.1 DEFINITION D'UN ECHANGEUR D'ION

Le phénomène d'échange d'ions peut être invoqué pour tout système constitué d'au moins deux phases non miscibles présentant les propriétés suivantes [39]:

• La phase solide (constituant l'échangeur d'ions) imprégnée de liquide, développe à sa surface des charges positives ou négatives qui sont alors exactement compensées par des charges de signe opposé apportées par les ions de la solution. L'ensemble (solide, ions compensateurs) constitue la phase échangeuse d'ions. Sa charge totale nette doit être nulle.

• Les charges portées par le solide sont soit localisées au niveau de groupements fonctionnels ionisés (par exemple les groupes silanol ou aluminol en bordure des feuillets d'argile), soit délocalisées (par exemple la charge permanente résultant de substitutions isomorphiques au sein du cristal argileux). On considère que les zones de surface où sont concentrées les charges électrostatiques constituent des sites d'échange d'ions. Dans ces conditions, la modélisation ne peut être que de nature macroscopique.

6.2. CAPACITE D'ECHANGE

Un échangeur d'ions peut posséder plusieurs types de sites réactionnels constituant des groupes homogènes (ou quasi-homogènes). Le nombre de sites par unité de masse ou de surface de solide est limité pour chacun des différents types. Cette caractéristique est intrinsèquement liée à la nature de l'échangeur. Elle


61

détermine la quantité maximale d'ions de la solution pouvant être adsorbée (effet de saturation) et régule dans une certaine mesure le phénomène de compétition entre les ions pour la neutralisation des sites. [39].

Le nombre de sites d'échange Xi est appelé capacité d'échange des sites de type i (CEi exprimée en milliéquivalents par unité de masse ou de surface de l'échangeur).

6.2.1. Calculs de constantes

Pour un site monochargé X-i porté par un échangeur cationique, la réaction d'échange impliquant les ions Nn+ et Mm+ s’écrit [39] :

(2.55)

Si la réaction est réversible, elle peut alors être décrite à l'aide d'une loi d'action de masse et donc caractérisée par une constante thermodynamique appelée coefficient de sélectivité [39] :

(2.56)

où :

[I] : représente la concentration de l'espèce I adsorbée ou en solution

f : est le coefficient d'activité d'une espèce adsorbée (généralement pris égal à 1)

γ : est le coefficient d'activité d'une espèce en solution.

6.2.2. Influence du Ph

Il est alors aisé de déterminer l'influence de différents paramètres physico-chimiques sur les propriétés d'un échangeur d'ions, en particulier celle du pH. On considère un échangeur d'ions cationique en équilibre avec une solution aqueuse contenant uniquement deux cations H+ et M+. La courbe donnant la variation de [X-M] en fonction du pH montre différents paliers correspondant à la saturation des différents types de sites réactionnels portés par l'échangeur. Chaque hauteur de palier mesure la capacité d'échange des sites concernés. Avant d'atteindre un palier, la concentration d'élément adsorbé croît avec le pH ; cela correspond simplement à un déplacement de l'équilibre d'échange d'ions en faveur de l'adsorption des ions M+, l'adsorption des protons étant défavorisée à cause de la diminution de leur concentration dans la solution. [39].

7. CONCLUSION

L’amplitude du gonflement est strictement influencée par des propriétés microscopiques (strucuture, texture, minéralogie des argiles, nature et concentration


62

d’ions de la solution hydratante, ...) et macroscopiques (contraintes appliquées, anisotropie, humidité, teneur en eau initiale, ...). Ces différents facteurs montrent qu’il est difficile de corréler un comportement macroscopique à des observations microscopiques.

Le modèle de la double couche est un modèle de base, il explique les phénomènes à l’échelle microscopique. L’application de ce modèle semble être favorable pour les sols argileux dans le cas o`u l’on maîtrise bien les caractéristiques des minéraux argileux. Ce modèle nous montre également que la pression de gonflement dépend de la porosité, au contraire de ceux basés sur la pression osmotique. Néanmoins, dans le cas d’une roche argileuse, o`u la texture et la structure ne sont pas homogènes, ce modèle est inapplicable.

Les approches phénoménologiques, sont souvent utilisables pour les matériaux non gonflants au sens physico-chimique. Ces approches supposent que la pression des pores est isotrope en négligeant de cette fa¸con l’organisation des feuillets argileux qui est à l’origine d’une pression anisotrope. L’utilisation de tels modèles sur les argilites contenant un pourcentage élevé de minéraux gonflants comme les smectites n’est pas réaliste.

Les approches basées sur des modèles de gonflement sont reliées directement aux expérimentations réalisées en laboratoire. Elles intègrent des processus microscopiques sans aucune véritable justification. Ces approches sont les plus naturelles dans la mesure où elles peuvent se baser sur des résultats expérimentaux.

Les deux modèles, complexation de surface et échangeur d'ions, ont été très largement utilisés dans la littérature pour interpréter les mécanismes d'adsorption des cations, alcalins ou autres éléments métalliques, avec les minéraux argileux. Certains résultats vont maintenant être décrits, tant au niveau des données expérimentales elles-mêmes qu'en ce qui concerne leur modélisation. Ils permettent de mettre en lumière la relation existante entre structure et réactivité des minéraux argileux considérés.

Chapitre 03

STABILISATION DES SOLS ARGILEUX

1 INTRODUCTION

D’après les conséquences des sols expansifs, Plusieurs chercheurs ont étudié la stabilisation des sols expansifs. Le gonflement des sols argileux est un phénomène très complexe qui fait intervenir un grand nombre de paramètres intrinsèques et environnants. Cette complexité est due principalement à la structure minéralogique de l’argile (mélange d’illites et montmorillonites).

Au début des années 80, beaucoup d’auteurs se sont intéressés aux problèmes des sols gonflants et leur stabilisation.

Les deux techniques de stabilisation chimiques les plus utilisées :

Des stabilisations chimiques : Ce sont par exemple les sables, les graviers, utilisés en mélange avec les argiles gonflantes. Ces matériaux inertes réduisent le pourcentage global d’éléments actifs (inférieurs à 2 microns) et réduisent, par la même, l’activité du gonflement de l’argile. L’efficacité de ce mode de traitement sera fonction du pourcentage d’éléments inertes, de leur granulométrie et du mode de mise en place du mélange.

Des stabilisations physico-chimiques ils sont employés surtout pour des sols contenant une certaine quantité d’argile. Ils ont pour effet de réagir avec la fraction argileuse et de modifier leur environnement chimique et sa structure minéralogique. Parmi les stabilisations les plus couramment utilisées on distingue :

• Stabilisation de chaux

• Stabilisation au ciment

• Stabilisation cendres volantes,

L’organigramme donné par la figure 3.1, aide à choisir la stabilisation chimique appropriée pour un projet.

Chapitre 05 Stabilisation des sols argileux

64

Figure 3.1 : Conditions d’utilisation de la stabilisation Chimique (Dept. of the Army, 1983), cité par [44].

2. DIVERSES SOLUTIONS UTILISEES COMME STABILISATEUR D’UN SOL ARGILEUX

Les deux méthodes chimiques les plus généralement utilisées de stabilisation sont stabilisation de chaux et des additifs de stabilisation au ciment aux mélanges de sol-chaux et de sol-ciment, tels que les cendres volantes, pozzolans, et au phospho gypsum, peuvent être employés pour augmenter plus les propriétés des sols chimiquement stabilisés surtout le support du sol.

D’une manière générale, les procédés les plus utilisés dans le domaine géotechnique pour stabiliser les sols argileux sont les suivantes :

2.1 STABILISATION PAR AJOUT DE LA CHAUX

La chaux provoque deux actions différentes dans le sol: une action immédiate, qui se produit directement après que la chaux soit mélangée au sol et une action à long terme, qui peut durer entre plusieurs mois et quelques années après la mise en oeuvre.

2.1 1 Action immédiate

i. La chaux vive

La chaux vive diminue la teneur en eau du sol via trois phénomènes distincts:


65

a. L’hydratation de la chaux vive: une partie de l'eau «disparaît» via la réaction exotherme avec la chaux vive

CaO + H2O Ca (OH)2 + 15,5 kcal);

b. L’évaporation d'une partie de l'eau, provoquée par la chaleur dégagée par l'hydratation de la chaux vive (15,5 kcal/mol);

c. Ll'apport de matière sèche qui diminue le rapport de la masse d'eau à la masse de solide (teneur en eau).

La diminution attendue est de 1 % de teneur en eau par pourcent de chaux vive introduite. Si les conditions atmosphériques sont bonnes, teneur en eau peut diminuer encore plus sous les effets du malaxage et du vent.

ii. La chaux éteinte

a. Action à court terme

La chaux éteinte diminue également la teneur en eau mais uniquement via l'apport de matière sèche dans le sol. La diminution de la teneur en eau est limitée à 0,3 % par pourcent de chaux éteinte introduite.

La chaux influe sur les charges électriques se trouvant autour des particules d'argile et modifie ainsi les champs électriques entre ces particules. Ceci entraîne leur floculation, ce qui à des conséquences non négligeables sur les caractéristiques géotechniques du sol.

La limite de plasticité augmente (wP), mais la limite de liquidité (wL) reste presque inchangée. Il en découle que l'indice de plasticité (IP = wL - wP) diminue.

Figure 3.1 : Variation d’indice de plasticité en ajout de la chaux. [14]

La figure (3.1) montre que les phénomènes combinés de la diminution de la teneur en eau naturelle du sol traité et de la diminution de l'indice de plasticité peuvent faire passer un sol de l'état plastique (déformable, collant -donc difficilement compactable) à l'état sec (rigide, frottant, friable - donc beaucoup plus facile à travailler).


66

Le traitement à la chaux réduit donc la valeur maximale de la masse volumique apparente sèche et augmente la valeur de la teneur en eau permettant de l'obtenir.

La figure 3.2 montre que la courbe Proctor d’un sol traité est déplacée vers la droite et vers le bas par rapport à la courbe du sol naturel. Ce déplacement est d'autant plus marqué que le sol réagit bien avec la chaux.

Figure 3.2 : Influence de la chaux sur les caractéristiques de compactage. [14].

b. Action à long terme

C'est une action pouzzolanique qui se produit. Elle est due à la mise en solution en milieu de pH élevé (supérieur à 12) de la silice, de l'alumine et des oxydes de fer présents dans les minéraux argileux sous des formes cristallisées plus ou moins altérées. Ces éléments en solution réagissent ensuite avec la aux pour former des ferro-silico-aluminates de calcium insolubles qui précipitent et cristallisent en présence d'eau, créant ainsi des liaisons de même nature que celles produites avec les liants hydrauliques.

Ces phénomènes se développent en général très lentement (plusieurs mois, voire des années) dans nos climats. Ils sont influencés par la température du milieu, la quantité et la nature de la fraction argileuse du sol et la teneur en eau du sol. Cette action a lieu à partir de pourcentages de chaux ajoutés de 3 à 4 %, en fonction des caractéristiques du sol.

Si, à court terme, une certaine résistance est également souhaitée, un traitement complémentaire avec un liant hydraulique est nécessaire.

La préparation d'un sol argileux à la chaux entraîne la formation de grumeaux qui rend ce sol bien apte à recevoir un traitement au ciment par exemple. La réaction de ce ciment avec le sol traité à la chaux consiste surtout en une hydratation de silicates et aluminates de calcium (ajoutés sous forme anhydride). Ils passent en phase liquide, après quoi les produits hydratés durcissent («liaison hydraulique »). Par la croissance, l'imbrication et la - ramification de plus en plus grande des microcristaux


67

qui apparaissent, les grains de sols sont soudés et liés. De cette manière, ils forment des liaisons de plus en plus nombreuses et dures. Le mélange durcit et atteint des résistances mécaniques élevées, une grande résistance au gel et une bonne imperméabilité.

Gallaway et Buchanan (1951) ont montré que la relation de la chaux avec l’argile est le résultat de deux processus :

Une réaction d’échange ainsi qu’une adsorption d’ions calcium non échangé, le résultat est une diminution de la capacité d’échanger.

Un agent cimentant se forme, il lie les particules entre elles, la chaux peut en effet stabiliser également les sols non gonflants.

Des expériences faites par Golbet et Klein ont montré que de faibles pourcentages de chaux (2 à 6% ) entraînaient une réduction importante du gonflement. Des conclusions équivalentes furent données par Jones, Michell et Spangler .

Abdljawad et al 1994; ont étudie l’influence de la variation de volume des constituants sur les caractéristiques des argiles gonflantes. L’étude a été effectuée sur des échantillons d’argiles anhydride. Il a été trouver pour les deux types de mélanges à différentes le pourcent (0, 5, 10,20).des ajouts de anhydride ou de gypse.

Les résultats qui ont trouvé que la pression de gonflement diminue lorsque le pourcent de Caso4 augmente, et beaucoup plus pour le mélange de l’argile anhydride figure (3.3). Ainsi que l’augmentation le pourcent de Caso4 pour ces types du sol induit une diminution de la limite Atterbergs figure (3.4).

Figure 3.3 : La pression de gonflement en fonction % de sulfate de calcium.

[38].

Figure 3.4: limites consistance du pour deux types de du sol en en fonction % de

sulfate de calcium. [38].

S. M. Rao et T. Thyagaraj, 2003. ; ont utilisé une nouvelle technique de pile de lait de chaux et de chaux vive sont des choix viables pour la stabilisation in-situ pour


68

des sols et ce par des essais in situ comparés à des résultats de laboratoire. Pour les essais in-situ, deux rayons d’injection de lait de chaux (r1= 0,9d et r2= 1,5d, figures 3.5 et 3.6) ont été utilisé. Les résultats obtenus ont montré l’efficacité de ce genre de traitement.

Figure 3.5 : variation de % de gonflement

en fonction du temps de sol non traité et du

sol traité par la boue de la chaux à la

distance radiale de 1,5d. [34].

Figure 3.6 : variation de % de

gonflement en fonction du temps de sol

non traité et du sol traité par la boue de

la chaux à la distance radiale de 0,9d. [34].

Yucel Guney, Dursun Sari, Murat Cetin, Mustafa Tuncan, 2005 ; ont étudié, l'impact du cyclique de mouillage et du séchage sur le comportement du sols argileux gonflements et en présence de la chaux. Ils ont effectué des essais de gonflement sur des mélanges de sol avec de diverses quantités d'argiles (kaolinite-bentonite), selon différentes plasticités. Pour cela ils ont utilisé trois types des sols argileux :

□ Les argiles de Na-bentonite et de kaolinite sont préparé à partir d’un mélange de deux proportions différentes et ce afin d’obtenir deux types de mélanges de plasticité élevée. Le premier mélange, appelé Sol A, est composé de 70% de bentonite et de 30% de kaolinite,

□ Le deuxième mélange, sol B, est constitué de 30% de bentonite et de 70% de kaolinite,

□ Le troisième est un sol argileux de plasticité moyennement élevée. Il s’agit de l'argile de Turkmen, appelée Sol C.

Dans chaque essai, deux proportions différentes de chaux variant de 3% et de 6% en poids et ce pour chaque type du sol. Les essais de gonflement ont été effectués selon ASTM D4546.

Les résultats ont montré que l'effet initial du sol, bénéficiaire de la stabilisation à la chaux a été perdu après le premier cycle et le potentiel de gonflement a augmenté aux cycles suivants. D'autre part, le potentiel de gonflement et la pression de


69

gonflement du sol non traité ont commencé à diminuer après le premier cycle. L’équilibre a été atteint après le quatrième cycle.

Figure 3.7: La variation de potentiel du gonflement avec le nombre des cycles pour

Sol A non traité et traité. [47].

Figure 3.8 : La variation de pression gonflement avec le nombre des cycles

pour Sol A non traité et traité. [47].

Figure 3.9: La variation de potentiel du

gonflement avec le nombre des cycles pour

Sol B non traité et traité. [47].

Figure 3.1 0: La variation de pression gonflement avec le nombre des cycles

pour Sol B non traité et traité. [47].

Figure 3.11 : La variation de potentiel du

gonflement avec le nombre des cycles pour

Sol C non traité et traité. [47].

Figure 3.12 : La variation de pression

gonflement avec le nombre des cycles

pour Sol C non traité et traité. [47].

Ils ont conclu, que pour des applications de cycles mouillage séchage sur les sols non stabilisés, le potentiel de gonflement est réduits. Tandis que le potentiel gonflant


70

maximum observé, subit une réduction après le premier cycle du gonflement puis le potentiel de gonflement et diminue graduellement aux cycles suivants. L’équilibre est atteint à l'équilibre après 4 à 6 cycles.

La stabilisation par la chaux des est affectée par les cycles mouillage -séchage. En d'autres termes, l'effet principal de la chaux sur le potentiel de gonflement est partiellement perdus, si le sol est soumis à cycles de mouillage - séchage. Ces résultats amènent à déconseiller ce genre de traitement dans régions à saisons variables (humidification /séchage).

2. 2 STABILISATION PAR AJOUT DU CIMENT

L’action, de stabilisation par les ciments, est complexe et dépend de la nature du sol, de la teneur en ciment, de la teneur en eau et des conditions de température (Johson ; 1960). De plus, la présence de la chaux dans les ciments provoque des réactions d’échange. Les pourcentages utilisés varient, comme pour la chaux, de 2 à 6%. Le ciment est parmi les liants les plus fréquemment utilisés dans traitement de sols de surface. [44].

Les quatre mécanismes contribuant à la stabilisation au ciment des matériaux de sol argileux sont résumés dans le tableau 5.1.

Tableau 3.1 : Mécanismes de la stabilisation par ciment des sols argileux.

2. 3 STABILISATION PAR AJOUT DES CENDRES VOLANTES

Les cendres volantes, produites dans la combustion des charbons subbituminous, présentent des caractéristiques de cimentage et peuvent être utilisées dans une


71

large gamme des applications de stabilisation. Le traitement de cendres volantes peut efficacement réduire le potentiel de gonflement des argiles fortement plastique et empêcher le gonflement sous les pressions plus petites de base.

Zalihe Nalbantoglu ,(2004); a étudie la stabilisation des argiles gonflantes par les cendres volantes. Les résultats d'essai en laboratoire sur ces sols indiquent que ces cendres volantes sont efficaces à l’amélioration de la texture et la plasticité des sols traités. Elles permettent de réduire l’indice de plasticité et le potentiel de gonflement. [29].et [30].

La réduction en valeurs de la pression de gonflement des deux sols indique que le gonflement des sols est empêché pour de petites valeurs de pression. [29] et [30].

Figure 3.14. La variation du potentiel du gonflement en fonction des pourcentages des

cendres volcanique et du temps, pour des

sols de Degirmenlik et de Tuzla. [29].

Figure 3.15 : Effet des cendres volantes et du temps traitant sur les

valeurs de pression de gonflement des

sols de Degirmenlik et de Tuzla. [29].

Dans la même étude, des valeurs de CEC de capacité (d’échange) cationique ont été mesurées pour indiquer les changements de la minéralogie des cendres volantes des sols traités et ce pour expliquer la réduction du potentiel de plasticité et d'absorption de l'eau. Figure (3.16).

Les faibles valeurs de CEC indiquent que le traitement par les cendres volantes changent la minéralogie du sol traité et produit de nouveaux minéraux secondaires.

L’utilisation des cendres volantes comme matériaux de stabilisation pour le sol semble être une solution intéressante. Cette utilisation aurait des avantages, en plus de la stabilisation, environnementaux.


72

Figure 3.16 . Capacité d'échange cationique, valeurs de CEC des cendres volantes

traitées Sols de Degirmenlik et de Tuzla. [29].

4 STABILISATION PAR AJOUT DES MELANGES:(CIMENT+CEND RES VOLANTES OU CHAUX +CENDRES VOLANTES OU CIMENT+ CHAU X)

Dernièrement, un certain nombre d’auteurs ont étudié l’influence de mélanges de (chaux-cendre volcanique), mélanges (ciment-cendre volcanique) ou des ajouts ces trois constituants, sur les sols gonflants [44]. Les résultats obtenus étaient encourageants.

2. 5 STABILISATION PAR AJOUT DE SABLE72

Plusieurs auteurs ont étudié l’influence de l’ajout de sable sur le gonflement. Nous citerons certaines d’entre elles :

Satyanarayana (1969), cité par [8]. a étudie le comportement de l’argile de Black Cotton au sud de l’Inde sous forme de mélange avec le sable, et sous forme de couches. Il a constaté que la pression du gonflement est réduite par le simple ajout de faibles pourcentages de sable. Plus le pourcentage de sable augmente, plus la réduction de la pression diminue (différence marquée à partir 50% de sable).

L’insertion de couches de sables (différentes positions avec l’argile), réduit la pression du gonflement en proportion appréciable due principalement à la capacité du sable à absorber le gonflement de l’argile. Cette capacité du sable dépend de la facilité de la couche de sable avec laquelle elle se déforme par compression ou, par mouvement latéral.

Komornik et livneh (1969), cité par [8]. ont étudié l’influence de la granularité des constituants sur les caractéristiques des argiles gonflantes. Pour cela, ils ont utilisé des mélanges argile - sable et argile- marbre à différents pourcentages. Il a été constaté que la diminution du taux du gonflement des différents mélanges est du à la faible densité sèche de l’argile et à l’augmentation du matériau inerte dans les


73

mélanges. Ainsi, ils ont constaté qu’il y a une influence du taux de l’humidité de l’argile sur la valeur de la pression du gonflement.

Mouraux (19969), cité par [8] a montré dans sa thèse que, si la couche gonflante est d’une grande épaisseur, de manière à ne pas pouvoir l’excaver complètement alors, il faut excaver jusqu’à une certaine profondeur puis, remblayer pour rétablir les conditions de pression initiale. Pour cela, souvent c’est le sable qui est utilisé. le bas du remblai est faiblement compacté et ce pour deux raisons :

□ Le haut du sol gonflant serait très compact, et par conséquent son potentiel de gonflement est élévé.

□ Le bas du remblai peut alors « encaisser » un gonflement éventuel.

Seed, Woodword et Lugren (1969) cité par [8] ont retenu trois paramètres significatifs de l’aptitude au gonflement d’un sol : Le pourcentage d’éléments argileux inférieur à 2µ et leur nature minéralogique, l’indice de plasticité et l’indice de retrait. Les auteurs ont mesuré le potentiel de gonflement de sols artificiels préparés en mélangeant des minéraux argileux avec diverses quantités de sables. Ce mélange permet de diminuer le pourcentage. L’influence sur la pression de gonflement et, sa relation avec le pourcentage des éléments inférieurs à 2µ dans l’échelle bi logarithmique est linéaire.

Myondo (1979), cité par [8] a étudié l’effet du compactage et la résistance au cisaillement de deux argiles de composition minéralogique différente mélangées avec le sable grossier à différents pourcentages. Il a obtenu les résultats suivants :

□ La granularité et la minéralogie influent sur la compactibilité des sols.

□ Mise en évidence d’une limite granulométrique à 30% d’argile (70% de sable) correspondant à la meilleure compacité obtenue sous l’effet de l’énergie de compactage Proctor modifié.

Les résultats des essais de cisaillement sont :

□ La cohésion augmente avec le pourcentage d’argile.

□ Le coefficient de frottement (tg) diminue avec l’augmentation de la quantité des fines dans les mélanges argile-sable et la variation est presque linéaire.

Une partie de l’étude d’El Sayed et d’EL Sohby (1981), cité par [8] a porté sur le traitement d’un sol argileux gonflant par ajout de sable et de limon à différentes concentrations. Ils ont constaté que la grosseur de la fraction non argileuse a une influence sur le gonflement. C'est-à-dire, que les particules fines provoquent un gonflement important. En plus, la pression de gonflement pour les mélanges argile- limon était plus importante que celle des mélanges argile-sable.

Mehmit et Ishibashi (1982) cité par [8] ont mené une investigation expérimentale sur 8 mélanges argile-sable. Ils ont étudié la variation du gonflement en fonction de


74

la température (à 24°C, 38°C et à 66°C). Ils ont co nstaté que plus le pourcentage du sable augmente, plus le gonflement diminue. Ils ont remarqué aussi, une réduction de 17% à 28% du gonflement quand la température diminue (voir figure 1.18).

Suratman (1985), cité par [8] a étudie la variation du gonflement d’un mélange de montmorillonite et de sable à différents pourcentage (10 à 50%) ; le sable étant de granulométrie moyenne (0.1 mm<D<0.5 mm). il a constaté une réduction du gonflement libre de 50% pour 30% de sable et une réduction de 70% pour 50% de sable.

Bengara H et col (2004), ont été tenté de réduire le potentiel de gonflement et sa pression par ajout du sable a des argiles étudiées ces sables à granulométrie et à pourcentages différents. Aussi ont été observé l’évolution du gonflement dans le temps, où ils ont remarqué que les résultats obtenus étaient encouragement et conformes aux recherches déjà établies. [8].

2. 6 STABILISATION PAR SOLUTIONS SALINES

De nombreux travaux ont montré que la stabilisation par les sels pouvait réduire considérablement le gonflement des argiles. Nous citerons quelques exemples de ces travaux.

Peele (1937), cité par [8]. a remarqué que le carbonate de calcium augmente la résistance du sol à l’érosion. Il permet d’augmenter le potentiel floculé des argiles.

Haxaire (1956), cité par [8], a déterminé la quantité du molécule organique pouvant se fixer sur la montmorillonite en essayant de relier cette fixation avec la structure, la nature et l’ionisation de ces molécules. Des familles de molécules organiques ont été ainsi étudiées. Il a montré aussi que certaines molécules telles que la guanidine et la benzine se fixent irréversiblement en quantités supérieures à la capacité d’échange de base sur la montmorillonite.

Hazart et Wey (1965), cité par [8].ont étudié la cinématique du gonflement de la montmorillonite en présence de l’éthylène glycol, en moyen de la diffraction X et ont mis en évidence la formation du complexe argile glycol en insistant sur le rôle important joué par le cation interfoliaire.

Mondshine et Kercheville (1966), cité par [8], ont utilisé du chlorure de sodium et du chlorure de calcium dans les boues à l’huile pour déshydrater des argiles. Ils ont montré que le chlorure de calcium est plus efficace. Les boues traités ont, été testes sur des puits de forage en Louisiane et en Algérie et ont donné des résultats relativement satisfaisants.

Dider(1972), cité par [13], s’est penché dans ses recherches sur l’influence des sels sur la pression du gonflement et le gonflement et libre de la montmorillonite. Il a donné des relations exprimant le gonflement en fonction du pourcentage théorique


75

d’éléments inférieurs à 2µ et de l’indice de retrait de la montmorillonite pour divers fluides hydratants.

Waller et Lawler (1976) cité par [8], ont étudie l’influence des sels sur un échantillon d’argile reconstituée à partir de déblai de forage. Les meilleurs résultats sont obtenus à l’aide des solutions qui associent le Kcl avec un polymère.

Iltis(1979) cité par [8] , a étudié plusieurs ses types de gonflement en présence de plusieurs types de sels. Cette étude a mis en évidence deux agents stabilisants, le chlorure de potassium et le chlorhydrate de guanidine.

Azzouz (1983) cité par [8], a effectué ses travaux sur la stabilité des argiles feuilletées. Il a montré que les meilleurs résultats peuvent été obtenus par l’association d’un sel de potassium et d’une polymère.

Komine et Ogata, 1992, cité par [18], ont étudie L'efficacité d'un sel à partir du concept de l’épaisseur de la double couche diffuse. Même si certaines recherches plus récentes Qi et al., 1996 cité par [18] ont montré qu'il ne s'agissait que d'un aspect très partiel du phénomène. Mitchell, 1976, cité par [8] , a indiqué dans le tableau VII les épaisseurs de doubles couches calculées de façon classique

Jennings et knight(1957); cité par [37] ont effectué des essais sur des argiles silicate sec riche en sodium à l’état saturé et à état non saturé. Ils ont déduit que le potentiel de gonflement est très élevé à l’état saturé par rapport l’état non saturé (voir figure 1). Le degré de saturation étant fixé et la composition chimique du sol argile-silice sec ont été analysés par l’ajout d’un taux de sodium dans un échantillon et un taux du calcium dans un autre. Cette expérience a montré que le potentiel de gonflement est plus important dans des échantillons riches en sodium par rapport aux échantillons riches en calcium ; c.a.d. le sodium est un facteur chimique favorable pour le gonflement du sol.


76

Figure 3.17: essai à l’oedomètre à double plateau pour tester deux échantillons riche

en sodium sec [37].

Figure 3.18 : Influence des cations adsorbés sur potentiel gonflement /

d'effondrement [37].

Figure 3.19 : influence des solutions de

cation de mouillage sur potentiel gonflement

cité par [37].

Figure 3.20 : influence des solutions

de cation de mouillage sur potentiel

gonflement t d'effondrement des

échantillons secs de riches de calcium.

[37].

Figure 3.21 : Influence des cations

adsorbés sur la compressibilité des

échantillons saturés. [37].

Figure 3.22 : Influence des cations

adsorbés sur la compressibilité des

échantillons saturés. [37].

Les même auteurs ont étudie l’influence de la composition chimique de fluide imbibé dans le sol argile-silice sec et riche en sodium sur le potentiel de gonflement figure 3.17. Le un potentiel de gonflement est plus important qu’aux deux autres échantillons imbibés par le fluide 0.4 N Nacl et 0.4N Cacl2 (voir figure 3.19).


77

La même expérience a été effectuée sur un sol argile-silice sec et riche en calcium. Le résultat montre que l’échantillon imbibé par la solution de 0.4 N Nacl présente un potentiel de gonflement plus important qu’aux deux autres échantillons imbibés par l’eau de robinet et 0.4N Cacl2 (voir figure 3.20).

Olson et Mesri1970 ; cité par [37] ont réalisé des travaux dans le but d’étudier l’influence des cation de Na+ et Ca2+ sur la compressibilité du sol argile-silice sec et saturé. Les résultats indiquent que l’indice de vide est plus important dans l’échantillon riche en le sodium qu’à celui riche en calcium.

Ces mêmes auteurs ont lancé d’autres essais, sur un autre l’échantillon de sol argile-silice saturé en calcium et imbibé par de l’eau de robinet et 0.4N Cacl2 (voir figure 3.20). Ils ont conclu que l’indice de vide est important dans l’échantillon imbibé à l’eau de robinet. Ce résultat monte que les cations de calcium joue un rôle négligeable par rapport aux cations de sodium. Ainsi, la compressibilité est plus influencée par les cations de sodium

Hachichi et Fleurreau (1999) ont étudié la réduction du gonflement de plusieurs échantillons intacts d’Algérie par des sels. Dans cette étude, des réductions substantielles ont été obtenues avec de fortes concentrations de sels.

Hachichi et al (2000), Bouroukba.S (2001), ont étudié la réduction du gonflement des argiles de la région d’Oran par des sels des polymères. Des réductions importantes ont été obverses par l’association d’un sel de chlorure de d’aluminium et des polymères.

Aboubekr.N et Aissa mamoune.S.M, (2003), ont étudié l’influence des sels sur le gonflement libre des argiles. Afin de mettre en évidence l’influence de ces sels sur l’amplitude, l’étude a été effectuée sur des échantillons d’argiles naturelles et artificielles en utilisant quatre sels différent (chlorure de potassium, Chlorure de Sodium, Chlorure de Calcium, Sulfate d’Ammonium. Des réductions importantes ont été observées par l’association d’un sel de chlorure de potassium mais pour chlorure de calcium est moyen a faible.

Markus Tuller, Dani Or,(2003); ont observé à l’aide d’un microscope électronique (SEM) (figure. 2) que les distances moyennes entre les couches sont beaucoup plus petites dans Ca2+ qu'en Na+ montmorillonite. En raison de la position face à face collante le nombre de feuillet par trajectoire est plus grand en montmorillonite Ca2+ (55 à 0.032 barre ; 225 à la barre 10 ; et 400 à la barre 1000). En outre, tactoids formant le micropore les murs sont plus longs dans Ca2+ que dans la Montmorillonite Na+ en raison de disposition préférée à former les liens face à face. [28].


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Figure 3.23 : Microstructure de texture d'argile comme affectée par la composition en

solution (électrolyte) (Tessier, 1990). [28].

Schmitz R. M., van Paassen L. A., 2003 ; ont étudié l’effet des différents types sels sur la minéralogie des argiles. Ils ont proposé une formulation empirique décrivant la reduction de la limite de liquidité par les solution salines avec l'augmentation de sel figure (3.24).

Figure 3.24 : Diminution de la limite de liquidité de la bentonite en fonction de la

concentration des cations monovalents. [42].

Jad warkim, 2005 ; a été effectué des essais, sur l’argilite de Tournemire, ont montré que les déformations dues au gonflement et au retrait sont influencées par la nature et la concentration en sel dissout dans l’eau déminéralisée. Il a été observé que le gonflement libre est plus élevé pour une solution de NaCl, plus faible pour une solution de KCl et intermédiaire pour une solution de CaCl2. Il a été constaté que ces déformations sont significatives et ne dépendent pas du chemin chimique suivi par l’échantillon pour des essais effectués sous faibles contraintes.


79

Figure 3.25 : Influence de la valence des cations sur le gonflement [46].

Aussi, il a été remarqué que l’activité de la solution n’a pas d’influence directe sur le gonflement (tableau). , il a été effectué des essais avec des solutions de NaCl ont également montré que le coefficient qui exprime le rapport entre la déformation axiale sous contrainte et la déformation libre, permet de réduire le nombre d’essais, étant donnée qu’il dépend uniquement de la contrainte appliquée et non de la concentration en sel.

Tableau 3.2 : Activité et gonflement pour des solutions salines de normalité 1 selon [46].

En outre, il a été observé que le gonflement normalisé ne dépend pas de l’orientation de l’échantillon, ce qui signifie que l’anisotropie du gonflement est indépendante de la nature et de la concentration en sel et est égale à 4. Il a été d’affirmer ce constat par des essais complémentaires réalises au moyen de l’enceinte hygrométrique. Ainsi il a été réalisé des essais de mesure de l’évolution du pH ont prouvé que le gonflement se stabilise avant la stabilisation du pH la figures suivantes.


80

Figure 3.26 : Gonflement et pH pour

l’eau du robinet. Figure 3.27 : Gonflement et pH pour une

solution de 1 M NaCl.

5.3 AUTRES TECHNIQUES DE STABILISATION

5.3 1 DRAINAGE

C’est la technique la plus classique qui est mise en œuvre. Plusieurs procédés sont utilisés ; comme les tranchées drainant, drains de carton, drains de sables verticaux, tapis de la cote de la nappe (Livet). Cité par [8]

5.3 2 SUBSTITUTION

C’est la suppression de la couche du sol gonflant. C’est la solution la plus évidente. Si la couche a une grande épaisseur, la suppression totale ne peut être envisagée. Elle consiste à excaver jusqu’à une certaine profondeur puis remblayer avec du sable ou autres matériaux graveleux. [8]. C’est une solution très coûteuse.

5.3 3 APPLICATION DE FORTES PRESSIONS

Le gonflement peut être évité en appliquant au sol des pressions supérieures à la pression de gonflement. IL s’agit de pression de gonflement réelle, c’est-à-dire correspondant à la pression limite minimum nécessaire pour empêcher le sol de gonfler par des chemins de contraintes réelles, in situ, cette pression peut être appliquée soit par l’édifice lui même, soit par des surcharges qui sont généralement des remblais de sols non gonflants (Mouroux.1969), cité par [8]. C’est une solution à déconseiller.

5.3 4 COMPACTAGE

Dawson recommande de compacter les argiles à des densités minimales et Seed (1961) note que les argiles compactées du côte sec de l’optimum ont plus tendance à gonfler que si elles sont compactées du côte humide. Malheureusement, du côte


81

humide, Les argiles sont moins résistantes. Il faudrait donc retrouver un compromis. [8]

5.3 5 PREHUMIDICATION

On crée ainsi un gonflement avant construction et si une forte teneur en eau est maintenue. Le volume restera sensiblement constant par la suite. Deux techniques sont utilisées. [8] :

• Simple arrosage par jet.

• Création de bassins au-dessus du sol gonflant, et c’est beaucoup plus utilisé.

5.3 6 TRAITEMENT THERMIQUE

Une augmentation de la température peut améliorer la résistance d’une argile. En réduisant la répulsion électrique entre les particules sous l’effet de la chaleur on provoque un écoulement de l’eau interstitielle due au gradient thermique appliqué. . [8]

5.3 7 UTILISATION DE FONDATIONS ET D’EDIFICES SPECI AUX

Elles sont utilisées, soit pour réduire le gonflement, soit pour dissiper les pressions du gonflement. L’étude la plus intéressante était faite par Jenning et Evans (cité par Mouroux ; 1969). Elle donne, en effet, plusieurs types de construction suivant le soulèvement estimé. Elle comprend [8]:

• Des renforcements en acier des murs pour assurer une plus grande rigidité.

• Des « construction Split », c’est-à-dire, conçues pour assurer le déplacement éventuel sans dommage d’une partie de l’édifice.

• Des reports de charges sur des semelles isolées.

• Des pieux fondés sur une couche peu gonflante.

Par ailleurs, on peut placer un tapis graveleux entre l’argile et la construction pour amortir l’effet du gonflement.

6 CONCLUSION

D’après les conséquences des sols expansifs sur les ouvrages géotechnique en surface et souterrain, plusieurs chercheurs ont étudié la stabilisation des sols expansifs. Ces différentes recherches s’orientent sur les ajouts qui minimisent le plus le potentiel de gonflement et la pression de gonflement.

La stabilisation des sols argileux a été étudiée par un grand nombre de chercheurs. Beaucoup de méthodes et d'appareillages ont été mis au point, pour connaître l'influence de l'efficacité d'une solution ou d'un produit sur la stabilisation


82

d'un sol argileux. Quelques exemples sont cités concernant l'utilisation de produits chimiques servant à la stabilisation des sols argileux.

Autour de cette idée que s’articule ce chapitre, a été consacré à l’étude bibliographique présentant l’état d’avancement de la recherche dans le domaine de la stabilisation des sols argileux.

Le choix des techniques de stabilisation les plus utilisées dépend de plusieurs paramètres tels que ; les considérations économiques, la nature du sol à traiter, la durée de l’opération, la disponibilité des matériaux à utiliser ainsi que les conditions d’environnement.

Chapitre 04 Essais d’identification physico- chimique et s essais mécaniques

pour les argiles étudiées

84

Chapitre 04

IDENTIFICATION PHYSICO- CHIMIQUE ET ESSAIS MECANIQUES POUR LES ARGILES ETUDIES

1. INTRODUCTION

La quantification du phénomène de gonflement par des paramètres macroscopiques est essentielle du point de vue du dimensionnement des ouvrages de génie civil. Dans la suite, on récapitulera l’ensemble des informations obtenues dans la littérature sur la caractérisation du phénomène de gonflement.

Les méthodes indirectes reliant le gonflement aux paramètres géotechniques permettent d’identifier les terrains gonflants alors que les essais de gonflement caractérisent plus précisément le comportement gonflant d’un échantillon. Accompagnées de précautions expérimentales, les différentes procédures d’essais en laboratoire permettent de déterminer des paramètres du gonflement à appliquer dans le dimensionnement d’ouvrage et d’analyser certains aspects du gonflement comme l’anisotropie.

Notre étude a été effectuée sur trois argiles. La première est une argile naturelle provenant du gisement de Rousse Maghnia la deuxième est une naturelle extraite du site de Mansourah, et la troisième est celle du site de Imama ces trois argiles ont fait l'objet de recherches antérieures au laboratoire de mécanique des sols. Ces argiles ont subit une série d’essais d’identification physico chimiques et les essais mécaniques.

2. SITUATION GEOLOGIQUE

Nous allons aborder par la suite commençant d’abord par décrire les sites d’où les échantillons ont été prélevés.

2.1 ARGILE DE MANSOURAH

Le site du projet Mansourah se situe en bordure de la rocade Ouest, menant vers Bouhanek, occupant une partie des terres agricoles, exploitées par des particuliers et des EAC. Occupant le versant Ouest de la terre vallonnée, limitée, des côtés Nord et



85

Sud par des lignes d’oliviers et présentant une déclivité douce d’est-ouest. Une conduite de gaz naturel passe au loin du coté sud.

Une seule formation géologique compose les sols en place à savoir des marnes jaunâtres à verdâtres, pâteuses à moyennement raides (en profondeur), concrétionna ires, présentant des niveaux sableux et conglomératiques.

selon la carte géologique de la région de Tlemcen, à l’échelle 1/50.000e, le site où sera implanté le projet Mansourah appartient à la période géologique du Miocène, caractérisé par les marnes et argiles ; ce qui confirme les configurations géologiques des sols rencontrés.

Figure.4.1 : La carte géologique du groupement Tlemcen,Mansorah et chetouane d’après Bekkouche et al.

2.2 ARGILE DE HAMMAM BOUGHRARA

Maghnia est située à l’extrême Nord- ouest de l’Algérie, l’accessibilité de cette plaine à permis de relier la ville de Maghnia au Nord à Ghazaouet et Nedroma par la RN 46, à l’Est à Tlemcen par la RN 07 sur une distance de 75 Km et à Oran par la RN 35, à l’Ouest et sur une distance de 27 Km. Elle se relie à Oujda par la RN 07( annexe 01).

2.3 ARGILE DE IMAMA

Le terrain est situé à Imama Ouest (Tlemcen), se trouve une limite géologique à savoir le Miocène et le Jurassique, constitué dans sa partie Sud-Est par des marnes Tricolores caractérisées par un indice de plasticité, et de gonflement élevé, une consistance très variable, tandis que dans sa partie Nord-Ouest par des calcaires



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blanchâtre à grisâtre, compact à aspect conglomératique, surmonté par un marno- calcaire et une marne en surface.

3. ESSAIS D’IDENTIFICATIONS

3 1 ANALYSE GRANULOMETRIQUE

L'analyse granulométrique permet de déterminer la distribution dimensionnelle en poids des éléments d'un matériau, et comprend :

Un tamisage sous l’eau pour la distribution dimensionnelle en poids des particules de dimensions supérieures ou égales à 80 microns.

La sédimentométrie pour la distribution dimensionnelle en poids des particules de dimensions inférieures à 80 microns.

Les résultats seront présentés par des courbes appelées courbes granulométriques, figure (4.2) pour l'identification exacte du matériau, et pour permettre d'en prévoir certaines propriétés.

La texture est celle d’un sol argilo limoneux, légèrement à partiellement sableux, et faiblement à nullement graveleux pour l’argile de Maghnia et l’argile Mansourah.

Selon la classification USCS nous avons classé nos sols comme des argiles inorganiques à plasticité très élevée pour l’argile de Maghnia; inorganiques à plasticité moyenne pour l’argile de Mansourah et de Imama.



87

Figure.4.2 : La courbe analyse granulométrique de notre sol.

3.2. LIMITES D'ATTERBERG

Quand toute la capacité d'adsorption du sol sera saturée, alors l'eau en excès

restera à l'état libre c'est-à-dire liquide. À l'état “liquide” ( )LWW > . Plus le sol possède

de minéraux actifs dans leur interaction avec l'eau, plus il sera nécessaire d'ajouter de l'eau au sol pour qu'il devienne liquide ; sachant qu'une grande partie de cette eau sera adsorbée par les particules, il ne restera donc pas à l'état liquide et ne conférera pas au matériau un état liquide mais pâteux, correspondant à la phase plastique. L’indice de plasticité s’écrit comme suit [13]:

PLP WWI −= (4.1)

Peut s'interpréter comme la quantité d'eau nécessaire pour faire passer un sol de

l'état “solide” ( )PWW < Ceci rejoint la définition de l'activité de Skempton :

2C

IA P

c = (4.2)

Cette dernière rapporte l'indice de plasticité du matériau à sa teneur en particules

argileuses (notée ici C2, teneur en particules de dimensions inférieures à 2 µm), la seule interagissant avec l'eau. Cette définition de l'indice de plasticité montre également que IP est un paramètre important dans les propriétés de rétention d'eau du terrain et donc de gonflement. C'est la raison pour laquelle un certain nombre de corrélations ont rapidement été recherchées entre les limites d'Atterberg et les propriétés de gonflement des sols.

Seed et al. (1962), [13] ont proposé une méthode d’estimation du taux de gonflement sur des sols compactés en se référant à la teneur en argile du sol et à l’activité du matériau Ac (figure 4.3).



88

Figure 4.3 : Diagramme de classification du potentiel de gonflement (Seed et al., 1962)

cité par [13].

Le gonflement libre gε d’un échantillon confiné latéralement en présence d’eau

sous une surcharge de 7 kPa, et préalablement compacté à la teneur en eau optimale et à la densité sèche maximale de l’essai de compactage AASHO (norme américaine), peut être relié à l’indice de plasticité I P du sol par l’expression suivante :

( ) 44,2510.6,21 Pg I−=ε (4.3)

Cette relation, obtenue par une étude statistique des résultats expérimentaux, s’applique matériaux contenant entre 8% et 65% d’argile. La comparaison de cette formule avec les résultats expérimentaux a abouti à une fourchette d’erreur d’environ 33% sur le gonflement libre. Le tableau 4.1 donne la relation entre le taux de gonflement et l’indice de plasticité. [13].

Tableau 4.1 : Relation entre le gonflement libre et l’indice de plasticité (Seed et al.,

1962) [13].

Komornik et David (1969), [13] ont travaillé plus particulièrement sur des sols non remaniés provenant d’Israël, la technique de compactage étant un facteur très influent sur les paramètres de gonflement. Les nombreux essais ont montré qu’une simple corrélation linéaire était possible entre le gonflement libre et l’indice de plasticité, [13]: :

(4.4)

La fourchette d’erreur obtenue était d’environ 25 %.

Vijayvergiya et Ghazzaly (1973),[13] tout comme Komornik et David (1969), ont constaté que, la ligne “A”, définie par Casagrande (1948) dans le diagramme de plasticité et d’équation suivante :

( )2073,0 −= LP WI (4.5)

L’indice de plasticité sépare les sols gonflants (au-dessus) des sols non gonflants (en dessous de la ligne A) comme indiqué sur la figure 4.4. Cependant une argile se



89

situant au dessus de la ligne A” n’est pas nécessairement gonflante, puisque des sols mous peuvent parfois y être classés.

Figure 4.4 : Caractérisation des sols gonflants [13].

Dakshanamurthy et Raman (1973) se sont aussi inspirés du diagramme de plasticité proposé par Casagrande (1948) pour fournir une classification du niveau de gonflement. Le diagramme, qui comprend la ligne A de séparation des sols gonflants, est divisé en 6 zones le long de l’axe des abscisses comme suit :

Tableau 4.2 : Classification proposée par Dakshanamurthy et Raman (1973) cité par

[13].

2.3. Retrait linéaire

Les sols argileux présentent un retrait volumique lors de l’évaporation de l’eau interstitielle. Le retrait volumique évolue de manière linéaire en fonction de la teneur en eau w jusqu’à une teneur en eau ws définie comme la limite de retrait. A partir de cette limite ws, le sol perd de l’eau sans grande variation de volume, il se dénature. La limite de retrait et l’indice de retrait, apparaissent aussi comme des éléments fondamentaux pour l’étude des variations de volume des sols. Ce dernier s’écrit par l’équation suivante [13]:

sLS WWI −= (4.6)

Altemeyer (1955), cité par [13], a proposé une classification des sols en fonction de la limite de retrait (tableau 4.3).



90

Tableau 4.3 : Relation entre potentiel de gonflement et limite de retrait (Altemeyer, 1955) cité par [13].

Ranganatham et Satyanarayana (1965) ont déterminé une relation entre l’indice

de retrait S I et le gonflement libre gε pour des sols naturels compactés à l’optimum

Proctor et sous une surcharge de 7 kPa en s’inspirant des travaux réalisés par Seed et al. (1962):

(4.7)

Cette relation leur a permis de classer le potentiel de gonflement d’un sol en fonction de son indice de retrait (tableau 4.4).

Tableau 4.4 : Relation entre potentiel de gonflement et indice de retrait (Ranganatham et

Satyanarayana, 1965) cité par [13]. 90

La consistance d'un sol fin varie suivant sa teneur en eau. Plus précisément, en opérant à une teneur en eau décroissante, on rencontre les quatre états suivants :

Figure.4.5 : La consistance d'un sol.90

WL : limite de liquidité, teneur en eau qui sépare l'état liquide de l'état plastique

WP : limite de plasticité, teneur en eau qui sépare l'état plastique de l'état solide

WR : limite de retrait, teneur en eau qui sépare l'état solide avec retrait à l'état solide sans retrait.

IP : indice de plasticité IP = WL – WP

IR : indice de retrait IR = WL – WR



91

Les valeurs de la limite de liquidité de nos argiles est élevée de 127,5% avec un indice de plasticité IP élevé 76% pour l’argile de Bentonite de Maghnia , et assez élevé 65 avec un indice de plasticité peu élevé 33% pour l’argile Mansourah.

Pour l’argile Imama d’après l’abaque de Casagrande, il s’agit d’une argile minérale

de la valeur de la limite de liquidité WL varie entre 59 ≤ W ≤ 77% de forte plasticité.

Les limites de retrait de nos argiles sont comprises dans cet intervalle (9-10%) pour bentonite de Maghnia et (11-15) % pour l’argile de Mansourah et Imama.

En utilisant l’abaque de plasticité de CASAGRANDE nous avons remarqué que l’argile de bentonite de Maghnia se classe parmi les argiles fortement plastique [CH = argile inorganique à haute compressibilité à argile grasse], tandis que l’argile de Mansourah et Imama se classe parmi les argiles peu plastique [CL= argile inorganique à plasticité faible à moyenne] (tableau 4.5)

3.2.1. Action de différents types des sels sur la limite d’Atterberg

L'analyse microscopique a illustré un premier mécanisme physico-chimique d'interaction eau-minéral argileux, qui est celui des molécules d'hydratation des cations échangeables, attirés électriquement par le déficit de charge des feuillets argileux (lui-même dû, entre autres, à certaines substitutions isomorphes). Ce mécanisme met en évidence l'importance des sels dissous dans l'eau interstitielle.

Géoma C, et Geodelft, Stieltjesweg (2003) ; Ont proposé une formulation empirique décrivant l’effet de sel sur la limite de liquidité. Ils ont conclu, que la limite de liquidité est dénuée qu’à partir de la concentration de C=0,1M du sel. L’augmentation des concentrations des sels movalent, induit une diminution importante de la limite de liquidités (Kcl, Nacl). Les figures (4.6 et 4.7).

Figure.4.6 : l’effet de sel sur la limite

de liquidité d’après [42]. Figure.4.7 : correction de l’effet du sel

sur la limite de liquidité d’après [42].

En plus Ils ont remarqué que les argiles pures plus sensibles par l’augmentation des concentrations salines par exemple pour une concentration de C=0,1 M , donne une diminution de 50% de LL.



92

A partie de ces résultats précédentes, ils ont donné des modèles semi empérique qui facilite le calcule de la limite de liquidité l équation

(4.8)

Où

LL = liquid limit (%),C = concentration monovalent cations (M),R^2 = 0.937.

Et la corrélation de la limite de liquidité avec concentration saline qui comportement de la consolidation utilisant la formule de Terzaghi et Peck 1967 :

(4.9)

4.2.2. Résultat de l’effet des sels sur les limite s d’Atterberg.

Nous avons effectué une étude sur l’effet des sels sur les limites d’Atterberg, cette étude est destinée seulement à l’argile de Maghnia et de Mansourah.

Les figures 4.8, 4.9, 4.10 et 4.11 représentent la variation de la limite de liquidité et indice de plasticité en fonction des concentrations salines pour l’argile reconstituée de Maghnia et l’argile de Mansourah à deux concentrations de (0,5 et 2 mole/l) pour différents types de sels.

Figure 4. 8 : Limite de liquidité par

différentes concentrations salines pour

la argile de Mansourah

Figure 4.9 : indice de plasticité par

différentes concentrations salines pour la

argile de Mansourah.



93

Figure 4.10 : Limite de liquidité par


l’argile de Maghnia.

Figure 4.11 : Indice de plasticité par


l’argile de Maghnia.

Il a été réalisé 48 essais afin de suivre la variation de la limite de liquidité et de la limite de retrait sur les deux sols de Maghnia et de Mansourah, avec les six sels. Pour chaque sel, deux concentrations de 0.5 et 2 mole/l ont été choisies (tableaux (4.6), (4.7) et (4.8)).

Les résultats, donnés dans les tableaux précédents et les figures (4.8, 4.9, 4.10, 4.11), ont montrés :

• Les courbes de limite de liquidité et indice de plasticité en fonction de la concentration sont linéaires. C'est-à-dire, qu’une forte concentration des solutions salines a pour effet de diminuer la limite de liquidité et indice de plasticité.

• Comparée aux autres sels, une forte concentration de chlorure de magnésium a pour effet de diminuer plus la limite de liquidité et indice de plasticité.

• Une faible concentration de chlorure d’aluminium a pour effet de diminuer d’une manière appréciable la limite de liquidité et indice de plasticité.

• Néanmoins pour les fortes concentrations, Il est très difficile de réaliser l’essai de limite de liquidité avec le sel de chlorure d’aluminium (Alcl3) et ce parce que le sel déstabilise la structure d’argile dès le premier contact. Il a été remarqué, que le contact argile- sel donne une effervescence et l’argile devient plus liquide.

• Les sels peuvent augmenter les limites de retrait et ceci, bien entendu réduit le taux de gonflement.

Tableau 4.5: Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence de l’eau

Tableau 4.6: Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence des solutions saline pour l argile de Maghnia.

Chapitre 04 Essais d’identification physico- chimique et s essais mécaniques pour les argiles étudiées

95

Tableau 4.7 : Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence des solutions saline pour l argile de Mansourah.

Tableau 4.8 : Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence de solutions salines pour l argile de Mansourah.



96

3.3. ESSAI AU BLEU DE METHYLENE

Le principe de l'essai consiste à maintenir en permanence sous agitation un mélange [échantillon (O/d) + eau] puis à introduire des quantités croissantes de bleu de méthylène par doses successives, jusqu'à ce que les particules argileuses en soient saturées, il apparaît alors un excès qui marque la fin de l'essai et qui est détecté par le test de la tâche. Ce dernier consiste à former avec une goutte de la suspension sur du papier filtre normalisé, une tache qui est un dépôt de sol coloré en bleu, entouré d'une zone humide incolore. L'excès de bleu se traduit par l'apparition dans cette zone d'une auréole d'un bleu clair. Le test est alors positif. [4].

L'essai au bleu permet une évaluation globale de la quantité et de l'activité de la fraction argileuse :

priseladesecPoidssolutionde3cmdenombre

VB= (4.9)

VB: Valeur du bleu

Connaissant la valeur du bleu déterminée sur l'une des fractions les plus fines O/d, on peut calculer celle de la fraction globale O/d à partir de la courbe granulométrique du sol.

VB = (O/d) = VB (O/d) x P/100

P : proportion de la classe granulaire O/d dans le sol O/d.

Ensuite, on peut calculer la valeur du bleu pour les (< 2µ) :

VB (< 2µ) = )µ2(

)d/O(VB< (4.10)

Figure 4.12 . Dosage de l'essai de bleu selon (NFP 94- 068).



97

A titre d'identification le tableau 4.1 représente les valeurs de bleu de quelques sols.

Tableau 4.9 : valeur de bleu de quelques sols.

Les valeurs de bleu mesuré dans nos essais sont :

• l’argile Mansourah VB (1,5 - 4 cm3) ⇒ argile sablo de plasticité moyenne.

• l’argile Imama VB varie entre (4,56 – 6.8 cm3) ⇒ d’argile limoneux.

• l’argile de Maghnia VB 13,40 cm3⇒ argile

3.3.1 SURFACE SPECIFIQUE TOTALE S.S.T

La surface spécifique totale est la surface des grains solides sur laquelle le bleu de méthylène se fixe est donnée par :

S.S.T. = (VB / 100) x (N / 373) x 130 10-20 ⇒ S.S.T. = 21 VB (m2/g) (4.11)

• VB / 100 : fraction en % du bleu (<2µ)

• N : nombre d'Avogadro = 6.023 10 +23

• 373 : masse moléculaire du bleu de méthylène en gramme

• 130 10-20 : surface en cm2 d'une molécule d'eau.

D'après la classification recommandée:

• l’argile Mansourah S.S.T ⇒ 84,0 m2/g ⇒ ILLITE

• l’argile Imama S.S.T ⇒ 119.28 m2/g.⇒ ILLITE

• L’argile de Maghnia S.S.T ⇒ 281,4.m2/g ⇒ ILLITE on peut expliquer cela par la présence d’impuretés.

3.4. TENEUR EN CARBONATE DE CALCIUM

L'essai consiste à déterminer le volume de gaz carbonique dégagé après attaque par l'acide chlorhydrique d'un gramme de matériau sec.



98

% CaCO3 = purCOCdegpardégagéCOduVolume

néchantillodgpardégagéCOduVolume

a .1

'. 1

32

2 (4.12)

(4.13)

Tableau 4.10 : Teneur en CaCO3 de quelques sols.

Ainsi:

• l’argile Mansourah % C2CO3 (20,87%- 28.61%) ⇒ d’argile calcaire.

• l’argile Imama % C2CO3 varie entre (16,87%- 19.49%) ⇒ d’argile calcaire.

• l’argile de Maghnia % C2CO3 1,05 % ⇒ d’argile.

4. MESURE INDIRECTE DE POTENTIEL DE GONFLEMENT

Les méthodes indirectes consistent à déterminer une corrélation entre le gonflement libre ou la pression de gonflement et quelques paramètres géotechniques comme les limites d’Atterberg, la limite de retrait, la teneur en eau, la densité sèche qui semble être les facteurs influant sur le gonflement des argiles. Ainsi, après avoir déterminé les paramètres géotechniques d’un matériau, l’emploi de formules empiriques permet de connaître rapidement le potentiel de gonflement du terrain, c’est-à-dire estimer si ce potentiel est faible, moyen ou élevé et donc si le phénomène est à prendre en compte ou non. Compte tenu de la structure minéralogique des différents types d'argile, la caractérisation de la surface spécifique d'argile représente aussi un élément essentiel pour identifier le potentiel de gonflement d'un matériau. [13.].

Un nombre considérable d’approches empiriques introduites par diffèrent auteurs, basées sur des caractéristiques des sols sont très simples à déterminer au laboratoire, sont utilisé pour évaluer le potentiel de gonflement.

Dans le tableau qui suit, nous avons présenté quelques classifications établies par différents auteurs, pour évaluer le potentiel de gonflement et le potentiel de retrait de nos sols.



99

Tableau 4.11: différentes classification .du potentiel du gonflement et de retrait par les méthode indirecte.

En se basant sur les paramètres géotechniques, une évaluation qualitative du potentiel de gonflement des argiles de l’argile de Maghnia, Mansourah et Imama sont effectuées selon la classification proposée dans la littérature. La comparaison des prévisions de potentiels de gonflement en utilisant cette classification est donnée par le tableau (4.11). D’après ce tableau nous avons constaté un bon accord général entre ces diverses classifications.

5. MODELS DE PREVISION DE GONFLEMENT

Les modèles utilisés pour la prévision de l’amplitude et la pression de gonflement ont été rapportés de la littérature et leurs expressions sont données dans le tableau 1.3. Ces modèles sont utilisés pour prédire le taux et la pression de gonflement des échantillons testés d’argile. Ces modèles empiriques mettent en relation les paramètres de gonflement avec les paramètres géotechniques déterminés à partir des essais d’identification.

Les modèles de Seed et Col, ne tiennent pas compte la teneur en eau naturelle qui à notre avis reste un paramètre déterminant dans le processus de gonflement. Ces modèles n’utilisent que des paramètres interdépendants (la teneur en argile, l’activité et l’indice de plasticité), d’après les résultats de [5]

D’après les résultats de [5] modèle de Nayak et Christensen et le modèle de Vijayvergiya et Ghazzaly ne peuvent être utilisés pour des valeurs élevées de la teneur en argile, de la teneur en eau naturelle et de la limite de liquidité. Le premier modèle est basé sur des paramètres interdépendants, quant au second, il ne tient pas compte de la teneur en eau naturelle.



100

Le modèle de Johnson prédit globalement des pourcentages de gonflement dans des limites couramment observées en pratique. Ce dernier modèle semble être applicables d’après les applications [5].

Une étude statistique a été effectuée sur les données disponibles des argiles de Tlemcen pour rechercher des modèles propres à ces sols. Ils ont donné les modèles pour l’amplitude du gonflement et la pression de gonflement

Les résultats de l’application de ces modèles proposés semblent être représentatifs puisque les valeurs obtenues sont assez voisines de celles mesurées directement. Ils peuvent donc servir pour obtenir des valeurs approchées de la pression de gonflement de sites dont les propriétés physiques sont comparables.

Pour l’amplitude du gonflement, les résultats des modèles restent discutables à cause des écarts constatés entre les mesures directes et les calculs. Ces écarts peuvent avoir comme origine le type de chargement (soit le piston seul, soit le piston et le poids des terres).

Les mêmes modèles sont utilisés pour prédire le taux de gonflement de douze échantillons intacts testés de l’argile de Ain Aménas [11], qui présentent des caractéristiques physiques nettement différentes des sols de la région de Tlemcen.

De plus ces modèles de Bekkouche et Col., 2001 ; ont élaboré pour prédire le taux de et la pression gonflement utilisant les résultats de tests effectués sur soixante six échantillons intacts d’argiles expansives des régions d’Oran et de Tlemcen.

Tableau 4.12 : Expressions mathématiques des modèles de prévision du gonflement.

Modèles

Expressions mathématiques

Seed et AL 1 [5] gonfε = 3,6.10-5. A2,44. C3,44

Seed et AL 1 [5] gonfε = 2,16.10-5. Ip 2,44

Ranganaathan et

Satyanarayana[5]

gonfε =4.57.10-5 44.32

67.2

2 'C

CC

I R

−

C2 teneur en argile correspondant à un indice de retrait nul (abscisse à

l’origine de la relation IR= f{C2}



101

Nayak et Christensen [5] gonfε = 2,29.10-2.Ip1,45

0W

C + 6,38

Vijayvergiya et Ghazzaly 1 [5] Log gonfε =

12

5.54.0 +− PL WW

Schneider et Poor [5]

19.19.0

log0

−=W

I Pgofε

Johnson 1 [5] Pour Ip< 40 :

gonfε = -9,18 + 1,5546.Ip + 0,0824.z +

0,1. w0

0,0432w0.Ip – 0,01215.z.Ip

Johnson 2 [5] Pour Ip> 40 :

gonfε = 23,82 +0,7346.Ip – 0,1458.z –

1,7 w0 + 0,0025 w0.Ip – 0,0084 z.Ip

Bekkouche et Aissa mamoun 1 [5] Log Sp = -0.008.Z+0.27.A – 0.02 Tca + 0.016 Sr – 0.16

Bekkouche et Aissa mamoun 2 [5] Log Sp = - 0.1.Z+1.06.A – 0.22 γd –

0.04.Wn+ 0.8

Bekkouche et Aissa mamoun 1 [5] Log Ps = 0.01Ip+1.26.γd – 0.008Wn

– 0.1M – 2.179

Bekkouche et Aissa mamoun 2 [5] Log Ps = - 0.001WnIp+0.024WL+0.1M

– 0.713

Bekkouche et Aissa

mamoun 3 [5]

Log Ps = 0.006 Ip+1.21 γd

+0.013WR+0.11M -1.97

6. ESSAIS MECANIQUES

6.1. ESSAI PROCTOR

L'essai "Proctor" mesure les variations de la compacité d'un sol, en fonction de la teneur en eau à laquelle il est préparé et ce en fonction de l'énergie de compactage. L'essai est standardisé, ainsi, et en fonction de l'énergie de compactage, on différencie "Proctor normal" du "Proctor modifié" etc.



102

En pratique, on prépare 5 échantillons de sol à des teneurs en eau différentes et on les compacte par un certain nombre de coup de dame puis on mesure le poids volumique apparent et la teneur en eau des éprouvettes.

Les résultats des essais sont portés sur un diagramme donnant le poids volumique sec (déduit des deux mesures faites) en fonction de la teneur en eau. La courbe obtenue présente, en général un maximum correspondant à une certaine teneur en eau. Ces valeurs sont celles de l'"optimum Proctor". De part et d'autre de l'optimum Proctor, les poids volumiques sont plus petits.[25].

Figure.4.12 : Essai de proctor normale theorique.[25].

Les valeurs de l’essai de Proctor normale mesurées seront présentées suivant des courbes appelées courbes compactages, (figure 4.12)

Figure.4.13 : Essai de proctor normale pour l’argile de Maghnia et de Mansourah.

Il est facilement remarqué que les deux sols présente une forte sensibilité à l’eau autour de l’optimum Proctor. C’est une caractéristique des sols argileux.



103

6.2. ESSAI DE COMPRESSIBILITE A OEDOMETRIQUE.

L’essai de compression à l’oedomètrique est un essai fondamental et est une application directe de la théorie de la consolidation. Il permet d’évaluer l’amplitude des tassements des ouvrages ainsi que leurs évolutions.

Il s’agit de l’essai de compressibilité par paliers, cet essai permet d’établir, pour un échantillon donné, deux types de courbes :

La courbe de compressibilité qui indique le tassement de l’échantillon en fonction du logarithme de la contrainte appliquée.

La courbe de compressibilité, qui indique le tassement de l’échantillon en fonction du temps sous appliquée d’une contrainte constate.

Dans ce qui suit, nous allons nous intéresser aux paramètres oedomètriques appropriées aux sols fins à caractère gonflant, et que sont :

Le coefficient de gonflants Cg : qui est la pente de la courbe de déchargement.

L’indice de compressibilité Cc : qui est la pente de la courbe de la tangente à la courbe de chargement, ce coefficient permet de préciser la sensibilité du sol au tassement le long de cette courbe.

Les sols gonflants et rétractables ont une courbe de déchargement de pente marquée sous faible contrainte. Selon leur histoire, deux états différents peuvent être rencontrés (philipponnat et Hubert ; 1997) :

S’il a été nécessaire d’empêcher le gonflement en début de chargement, il s’agit d’un sol surconsolidé, éventuellement non saturé, en état s’il est soumis, de succion élevée. Le sol, dans l’état ou il a été prélevé, est susceptible de gonfler sous faibles contraintes, au contact de l’eau libre (figure 4.14-a).

Si le même sol a été soumis en présence d’eau libre et laissé gonfler avant prélèvement, son potentiel de gonflement a été déjà libéré et sa succion avoisine zéro. La courbe oedométrique aura alors l’allure de la figure (4.14-b) un tel sol est susceptible de faire un retrait important en cas de dessiccation et de réapparition d’une succion significative.



104

Figure 4.14 : Courbe de compressibilité des sols gonflants et rétractables.

Une classification est disponible, et en fonction de l’indice de compressibilité et l’indice des vides initial, cette classification permet de connaître le comportement des sols vis-à-vis de la compressibilité. Le tableau 6.6 présente les appréciations suivant (philipponnat et Hubert ; 1997 ) :

Tableau 4.13 : Relation entre la nature du sol et le coefficient de compressibilité d’après philipponnat et Hubert ; 1997.

Les valeurs du coefficient de compressibilité sont de 0,1 et 0,11 pour l’argile de Mansourah et l’argile de Maghnia respectivement.



105

Figure 4.15 : courbe oedométrique de l’argile Mansourah.

Figure 4.16 : courbe oedométrique l’argile de Maghnia.

En comparant ces valeurs avec celles du (tableau 4.13) nous constatons que nos argiles appartiennent aux sols moyennement compressibles.



106

7. DETERMINATION DE LA CAPACITE D’ECHANGE CATIONIQU E.

Les argiles présentent comme de nombreuses autres substances des propriétés d’échange. (Résines Gels colloïdaux…) . Les propriétés d'absorption sont directement liées à la structure des composants, en particulier à l’existence de lacunes ou d’espace vide conduisant à une surface spécifique élevée. Ainsi, les argiles peuvent fixer tous les cations cependant, il existe un certain ordre d’affinité liée à la fois à la taille et à la charge des ions.

Pour la détermination de la capacité d’échange cationique, il existe plusieurs méthodes tel que la méthode de fixation de l’ammonium ou de calcium. Le calcium est un des ions dominants dans les sols et dont la force de fixation est élevé. Les coefficients de corrélation sont meilleurs dans le cas de la méthode au calcium qu’avec la méthode à l’ammonium. Pour nos argiles nous avons eu recours à la deuxième méthode.

7.1 PRINCIPE DE LA METHODE.

Le principe consiste à saturer le sol par une solution de chlorure de calcium normal, tamponnée à pH = 7, puis par une solution plus diluée N/l0. Le calcium fixé et l’excès de chlorure sont extraits par une solution de nitrate de potassium, sans lavage préalable. Il suffit dans cet extrait de doser le calcium total, puis calculer les différent dosages des ions échangé par l’argile comme (K+,NA+,ca+,Mg+) pour obtenir CEC la capacité d’échange de base du sol (voir annexe).le tableau suivant résume les résultats de l’essai CEC pour nos sols.

Tableau 4.14 : la valeur de la CEC.

La capacité d’échange de nos argiles est faible par rapport à ceux indiquées dans le tableau 1.2 (chapitre 1). Ceci peut être expliqué par la présence d’impuretés.

Tableau 4.15 : la valeur de la densité spécifique



107

D’après les résultats de tableau (4.15), nous avons constaté que la valeur de la densité de charge spécifique de l’argile de Mahgnia est faible par rapport à la valeur de la densité spécifique de l’argile de Mansourah. Cette augmentation de la densité de charge spécifique de l’argile de Mansourah par apport à l’argile de Maghnia indique que l’argile de Mansourah est caractérisée par un gonflement ou la pression de gonflement est réduite en la comparant à celle de Maghnia (voir chapitre 08).

CONCLUSION

Plusieurs conclusions peuvent être tirés à partir des résultats obtenus à travers les essais effectués dans ce chapitre.

Les géotechniques peuvent être un indicateur pour évaluer le potentiel de gonflement des sols.

Paramètres l’argile de Maghnia a un potentiel de gonflement supérieurs par rapport à l’argile de Mansourah et de Imama.

D’après les résultas d’essais de la limite de liquidité par ajout des solutions salines, une nette diminution avec l’augmentation du pourcentage du sel, et les sels agissent de la même manière sur les deux argiles sauf le chlorure de aluminium crié un problème de effervescence au niveau de la structure des deux argiles.

Comme conclusion sur l’influence du sel sur l’état de consistance, nous pouvons dire que :

Quoique soit sa nature, le sel est bon rédacteur de tous les paramètres de constance.

Les paramètres déterminés par les essais d’identification et qui apparaissent comme étant les plus déterminants dans le comportement gonflant des argiles sont l’indice de plasticité, le pourcentage des particules argileuses, la valeur de l’essai au bleu de méthylène et la limite de retrait qui ont montré le caractère gonflant des sols étudies.



108

Nous avons remarquons un bon accord général entre les différente classifications, qui considèrent que le potentiel de gonflement de l’argile de Maghnia est plus élevé que celui de Mansourah et Imama. Néanmoins, ce classement reste à confirmer par les mesures directes de la pression et du potentiel de gonflement.

La majorité des relations d’estimation des paramètres de gonflement, sont basé sur des essais simple bien déterminés .L’emploi de ces relations doit être justifié.

Ces modèles d’estimation du potentiel et de la pression de gonflement ne sont pas générales, et ne s’appliquent qu ‘a titre indicatif. Néanmoins, les essais de gonflement direct restent indispensables pour des projets importants.

Chapitre 05

CINETIQUE DU GONFLEMENT

1 INTRODUCTION

Le gonflement des sols argileux est un phénomène très lent, en raison de la faible perméabilité des argiles. Il est donc fondamental d'essayer de comprendre la cinétique du gonflement, c’est-à-dire la relation existant entre la déformation de gonflement et le temps. Cette relation est représentée usuellement sous la forme graphique du gonflement unidimensionnel en fonction du logarithme du temps (voir figure 5.1).

Figure 5.1 : Courbe de gonflement en fonction du temps [13]

Nombreux travaux expérimentaux font apparaître ce type de cinétique (Seed et al. 1962 ; Parcher et Liu, 1965 ; Komornik et Zeitlen, 1970 ; etc.) cité par [13]. Ils ont été observé deux phases apparaissent dans la figure (5.1) comme des principales pour identifier la cinétique du gonflement

Par ailleurs, ces dernières années, G. Montes et al, ont constaté d’après une

étude expérimentale que l’évolution du phénomène gonflement -retrait d’une bentonite industrielle (d'isolement des agrégats) identifier aussi deux phases fondamentale (figure 5.2). Ils ont utilisé un programme d'analyse d'image numérique (Visilog 5.3).

Chapitre 06 cinétique du gonflement

110

Cette analyse d'image numérique se compose de l’évaluation de la surface de gonflement retrait comme fonction du temps, par une méthode ESEM12et la méthode de DIA3..

La manipulation de la méthode ESEM pour étudier la cinétique du gonflement retrait consiste en deux phases fondamentalement (figure 5.2) [26]:

• La première phase : elle est aussi identifier par deux phases figure (5.2) :

o Le gonflement intervide : est très difficile à modéliser, en raison de l'arrangement aléatoire des particules dans l'adsorption initiale de l'eau. Dans le cas général cette phase est caractérisée par un non gonflement et parfois par une contraction globale.

o Le gonflement primaire : présente un gonflement élevé pendant d'abord les premières minutes, après le gonflement diminue graduellement jusqu'à un maximum asymptotique de temps. Cette phase peut être modélisée par une équation exponentielle (1.6).

• La deuxième phase : est seulement représentée à une humidité relative critique produite comme saturation maximale de l'eau avec une humidité relative critique. L'équation finale pour adapter seulement la deuxième étape du gonflement de bentonite modélisé par une équation exponentielle. (1.7). [26].

La figure (5.2) données expérimentalement de G. Montes et al, montre que la cinétique du gonflement des grains de la bentonite (MX80) peut être définie par trois étapes produites comme saturation maximale de l'eau avec une humidité relative critique de 95% (figure 5.2).

Figure 5.2 : des différentes phases de l’évolution du gonflement.[26].

2ESEM : Enviromental Scring Electron Microscopy. 3 DIA : Digital Image Analyse.


111

Sridharan, Y. Gurtug, 2004 ; ont fait apparaître l’évolution de la cinétique de gonflement. Aussi, Ils caractérisent cette cinétique par deux phases principales dans la première contient elle même deux phases (la figure (5.3)) pour les argiles compactées à différentes énergies de compactage.

Figure 5.3 : (a), (b) et (c) Evolution du gonflement pour déférents sols compactés par

trois énergies diverses de compactage ; (d) Diagramme schématique montrant la

séparation du gonflement initial, primaire, et secondaire. [42].

Les mêmes auteurs ont fait une comparaison entre le taux de gonflement secondaire et le taux de compression secondaire pour plusieurs types de sols compactés à différentes énergies selon l’essai de compressibilité sous une pression du 50 kPa. (Tableau 5.1).


112

Tableau 5.1 : Taux de gonflement secondaire et le taux de compression secondaire [42].

Les résultats montent que le taux de gonflement primaire est plus élevé que le taux de compression secondaire particulièrement pour les sols fortement plastiques.

2 RESULTATS DE L’EVOLUTION DU GONFLELEMENT EN FONCTION DU TEMPS A L’ETAT NATUREL

Pour illustrer cette cinétique, nous avons procédé à un certain nombre d’essais. La procédure utilisée est dictée par la norme ASTM (méthode A) et la méthode de LCPC avec variation de volume. Les essais ont été réalisés avec et sans stabilisant chimique et ce afin de monter l’influence de ces derniers sur la cinétique des sols fins.

Par analogie à l’essai de consolidation, deux paramètres ont été défini; celui caractérisant le gonflement primaire dont lui même de phases initiale et primaire. Ce dernier a un taux gonflement maximal (Gp) et celui caractérisant le gonflement secondaire (Gs) (voir les figures 5.4 et 5.5).

La durée des mesures très longues généralement varie entre (8 à 10) jours pour les argiles intactes de Mansourah et varie entre (5 à 6) jours pour l’argile remanie de Imama pour atteindre l'équilibre en échelle logarithmique (voir tableau 5.4). Varie entre (15 à 20) jours pour l’argile de Maghnia pour atteindre l'équilibre en échelle logarithmique (voir tableau 5.4).


113


114


115

Figure 5.4 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence eau distillé pour l’argile compacter de Maghnia, l’argile intacte et

remanier de Mansourah.

Chapitre 06 Cinétique du gonflement

116

3. RESULTAS DE L’EVOLUTION DU GONFLELEMENT AVEC DES SOLUTIONS SALINES

Du point de vue de la cinétique du gonflement qui peut être déduite des valeurs des ou de la forme des courbes sur les figures 6.5 nous avons remarqué que la présence des sels se traduit, le plus souvent, soit par un ralentissement du gonflement des matériaux intacts, soit à défaut par la même cinétique. Dans les deux cas d'argiles remaniées, en revanche, nous avons noté que le phénomène inverse, c'est-à-dire une accélération du gonflement en présence de sels. Il faut néanmoins tempérer ces conclusions par le fait que les déterminations des tic sont parfois difficiles à faire dans le cas des argiles traitées en raison de la forme peu régulière de certaines courbes de gonflement qui paraissent progresser par bonds successifs ; en outre, pour certains essais stabilisé par le sel du (AlCl3), la durée des mesures très long généralement tourne vers (5 à 8) jours pour atteindre l'équilibre en échelle logarithmique (voir tableau 5.4).


117


118

Figure 5.5 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah.


119

Figure 5.6 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile de

Mansourah.


120

Figure 5.7 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du KCL par différentes concentrations salines pour l’argile

compactée de Maghia.


121

Figure 5.8 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile

compacter de Maghia.


122

Figure 5.9 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile



123

Figure 5.10 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia.


124

Figure 5.11 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile



125

Figure 5.12: Variation de gonflement en fonction du temps en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghia.


127

4 MODELISATION DE LA CINETIQUE

La modélisation de l'évolution du gonflement en fonction du temps a été proposée par différents auteurs, soit en considérant la dissipation de la succion (Baker et Kassif, 1968) cite par [13], soit en distinguant une phase de gonflement primaire (correspondant à la diffusion de l’eau dans les pores) et une phase de gonflement secondaire d’hydratation des minéraux argileux (Alonso et al, 1989 ; Gens et al, 1993). D’un point de vue empirique, certains auteurs (Dakshanamurthy, 1978 ; Sridharan et al.1986 ; Didier et al. 1987) cité par [13], préconisent de représenter la cinétique du gonflement par une loi hyperbolique de la forme :

bta

tv +

=ε (5.1)

Où

vε : désigne la déformation verticale,

t : temps et, a et b deux constantes.

Voysanade (1978) a, quant à lui, proposé la relation :

tB

tGv +

=ε (5.2)

G

Bt

G

t

v

+= 1

ε (5.3)

G : Le taux du gonflement final (pour un t infini).

B : Le temps de demi gonflement (% au gonflement final).

L’équation (5.3) est une droite dans le système de cordonnées (t, t/ε ) où G et B peuvent être déterminer graphiquement (voir figure 5.5).

Ce modèle peut être déduit ce qui suit :

Aissa mamoun, 2001, a aussi étudié la cinétique du gonflement pour quelques argiles de la région de Tlemcen, il a utilisé la même relation proposée par Voysanade (1978).

Il a trouvé une large fidélité du modèle par rapport aux mesures en ce qui concerne le taux de gonflement. Ceci peut s’expliquer par l’aspect de relativité des déformations.

Aussi il a remarqué une incompatibilité totale entre les mesures et le modèle pour le temps du demi gonflement et ce vu le temps très réduit obtenu par le modèle. Ceci ne reflète pas la réalité pour ce type de sol où le gonflement n’est obtenu qu’à long terme.


128

Sridharan, Y. Gurtug, 2004 ; ont étudié l’influence de l'énergie de compactage, ont établit à partir des essais de gonflement sur des échantillons ayant un pourcentage de plasticité diffèrent (kaolinite et l’argile de montmorillonite). Ils ont utilisé la même relation linéaire citée précédemment pour étudier la cinétique du gonflement pour ces argiles compactées à différentes énergies de compactage.

Il ont trouvé une large fiabilité du modèle par rapport aux mesures en ce qui concerne la détermination du taux de gonflement final.

G. Montes-H et al, ont fait une étude expérimentale sur la cinétique du gonflement, il ont adapté un modèle de la cinétique du premier ordre comme suit :

( )wwkdt

dwM −=

(5.4)

Ce modèle cinétique représente l'augmentation de volume en fonction du temps jusqu'à un maximum asymptotique du temps. La forme intégrale est représentée par l'équation exponentielle :

( )( )ktww M −−= exp1 (5.5)

L’équation (5.5) [2] peut seulement être appliquée quand le volume change. Malheureusement, la mesure estimée dans cette étude correspond aux variations extérieures, et pas aux variations de volume. Donc ils ont considéré que le phénomène gonflement - retrait de la bentonite est equi-dimensionnel à une balance globale.

L’équation (5.5) peut être écrite en fonction de la limite de la surface :

( )( ) 32

exp1 ktSS M −−= (5.6)

Où SM est le gonflement maximum de la première phase (%), k est le coefficient du gonflement (1/min), et t0 est l'initiale période du gonflement exponentiel.

L'équation finale pour adapter seulement la deuxième phase de gonflement de (secondaire) bentonite est alors :

( )( )( ) 32

0exp1 ttkSS M −−−= (5.7)

Les mêmes auteurs ont modélisé aussi le comportement de rétrécissement par une étape, ce qui peut être modélisé par un modèle d'affaiblissement exponentiel. L'équation finale en termes de surface est :

( )( ) 32

exp tkSD dM −= (5.8)

A travers cette étude de la cinétique de gonflement on utilise le modèle de VOYSANADE, en deux cas :


129

• La cinétique de gonflement pour les sols gonflés naturellement (imbibition en eau).

• La cinétique de gonflement en présence des sels (imbibition avec solution saline).

4.1. RESULTAS DE LA CINITIQUE DU GONFLELEMENT A ETA T NATUREL

Les courbes (5.13 et 5.14) ont été établies à partir des essais de gonflement (ASTM méthode A) et la méthode LCPC avec variation de volume sur différents échantillons différents pour la de région de Tlemcen. Ces courbes illustre tes bien les paramètres de la cinétique de gonflement tels que le taux de gonflement final, le temps de demi gonflement et la pente. Ces derniers déterminer facilement à partir graphe.


130

Figure 5.13 : Cinétique de gonflement en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de mansourah.


131

Figure 5.14 : Cinétique de gonflement en présence a état naturel s pour différent type l’argile de mansourah.


132

Figure 5.15 : Cinétique de gonflement en présence de l’eau

pour quelques’argile de Tlemcen a différents état initial. Figure 5.16 : Cinétique de gonflement en présence de l’eau

pour quelques argiles de intacte de Mansourah.

Figure 5.17 : Cinétique de gonflement en présence de l’eau pour quelques’argile de remanie de Imama.


133

4.2. RESULTAS DE LA CINITIQUE DU GONFLELEMENT EN PRESENCE DES SOLUSIONS SALINES

Les courbes (5.13 et 5.14) ont été établies à partir des essais de gonflement (ASTM méthode A) pour deux échantillons différents de la de région de Tlemcen. Ces courbes illustre tes bien l’effet des sur les paramètres de la cinétique de gonflement tels que le taux de gonflement final, le temps de demi gonflement et la pente. Ces derniers déterminer facilement à partir des graphes.


134

Figure 5.18 : Cinétique de gonflement en présence du KCL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia.


135

Figure 5.19 : Cinétique de gonflement en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia.


136

Figure 5.20 : Cinétique de gonflement en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de

Maghnia.


137

Figure 5.21 : Cinétique de gonflement en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de

Maghnia.


138

Figure 5.22 : Cinétique de gonflement en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de Maghnia.


139

Figure 5.23: Cinétique de gonflement en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter de

Maghnia.


140

Figure 5.24: Argile compacter de Maghnia en

présence du KCL.

Figure 5.25: Argile compacter de Maghnia en présence du

NACL.

Figure 5.265 : Argile compacter de Maghnia en présence du NH4CL.

Figure 5.27 : Argile compacter de Maghnia en présence du MgCl2.


141

Figure 5.28: Argile compacter de Maghnia en présence du CaCl2.

Figure 5.29 : Argile compacter de Maghnia en présence du AlCl3.

Figure 5.30 : Argile compacter de Mansourah en p

résence du CaCl2.

Figure 5.31 : Argile compacter de Mansourah en présence

du NACL.


142

Tableau 5.2 : Des paramètres de la cinétique de gonflement en présence de différentes solutions salines a plusieurs concentrations pour l’argile

Maghnia.


143

Tableau 5.2 : Des paramètres de la cinétique de gonflement en présence de différentes solutions salines a plusieurs concentrations pour l’argile

de Mansourah.


144

5 CONCLUSION

Dans une première nous avons défini la cinétique du gonflement d’après diverses approches. Et afin de s’intéresser à l’évolution du gonflement en fonction du temps par analogie aux paramètres de consolidation, il a été proposé deux coefficients (pp) et (pi) caractérisant respectivement le gonflement initial et le gonflement primaire.

En dernière étape et dans un souci d’enrichissement des procédures de mesure de gonflement, il a été introduit l’étude de la cinétique de gonflement qui a permis à l'évaluation d'une bonne approximation du taux de gonflement final.

Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.

145

Chapitre 06

SABILISATION DU GONFLEMENT PAR LES SELS.

1. INTRODUCTION

Historiquement, c’est à l’aide d’œdomètres que les premiers essais de gonflement ont été réalisés. Cet appareillage est bien adapté à la mesure d’une variation de volume et offre un moyen direct de suivi du gonflement lors de la mise en imbibition de l’éprouvette,

La plupart des recherches ont mentionné l’influence de la nature de la solution d’hydratation sur le gonflement des matériaux argileux.

En première approximation, à partir du concept d'épaisseur de la double couche diffuse (Komine & Ogata, 1992) [18].

Daupley cité par [46] ; a effectué sur des échantillons d’argilite de Tournemire immergés dans différentes solutions salines des essais de gonflement libre suivant une direction normale a la stratification. Cependant, Daupley n’a pas mis en relief l’influence de la nature du sel (KCl, NaCl et CaCl2) sur le gonflement. Il a imputé le gonflement au seul phénomène osmotique, autrement dit à la différence de concentration entre la solution d’immersion et l’eau des pores.

Les résultats des essais du gonflement libre ou du gonflement empêché qui montrent l’effet de la chimie sur le gonflement se contredisent par rapport aux essais effectués par Barbier cité par [46] sur l’argilite de Bure au moyen de l’appareil triaxial sous contraintes isotropes de 12 MPa à partir desquels il a montré que le gonflement est indépendant de la nature et de la concentration en sel.

De ce fait, il est intéressant de ne pas se satisfaire une analyse de l’effet de la chimie sur les paramètres du gonflement ou retrait mais d’illustrer également l’effet de la contrainte.

2 - GONFLEMENT ET ECHANGE IONIQUE

2.1 RAPPEL SUR LES ECHANGES IONIQUES

L’´échange ionique est un processus physico-chimique prépondérant pour les minéraux argileux gonflants comme la famille des smectites. Le déficit de charges


146

positives, résultant de la substitution des ions Al3+ et Si4+ du réseau cristallin par des ions de charges formelles moindres (Fe2,+ Mg2+, etc.), est compensé par la présence de cations dans l’espace interfoliaire localisé entre les feuillets argileux. Ces ions, mobiles et plus moins solvatés par des molécules d’eau, peuvent s’échanger rapidement avec les ions d’une solution externe en contact avec le matériau argileux. La réaction d’échange entre un ion en solution et deux ions échangeables d’une argile s’écrit comme suit (cf. par exemple De Windt et al, cité par [46] :

(6.1)

Cette réaction peut être décrite par une équation classique de bilan de masse associée a une constante d’équilibre K :

(6.2)

Où les parenthèses représentent l’activité des espèces en solution et dans l’espace interfoliaire. La détermination de cette constante d’échange permet de prédire la distribution des espèces cationiques entre la solution et l’argile.

Le mécanisme d’échange est également associé à la capacité d’échange cationique (CEC), paramètre exprimant la quantité d’ions potentiellement échangeables (unités en meq/100 g de solide). Comme mentionné ci-dessus, une argile a donc toujours une population d’ions échangeables pour des raisons d’électroneutralité. Cette population dépend de l’historique du matériau argileux (dominance des ions Ca2+ dans l’argilite de Tournemire ou des ions Na+ dans une bentonite sodique par exemple).

Ainsi, si un échantillon d’argilite de Tournemire est immergé dans une solution saline de NaCl, il se produira des échanges ioniques de la forme suivante :

(6.3)

Le gonflement plus ou moins important des argiles va dépendre de la nature du cation interfoliaire, ou plus précisément de son énergie d’hydratation. Les ions de sodium restent ainsi plus hydratés que les ions de potassium, en solution, mais aussi au sein même de l’espace interfoliaire. Les molécules d’eau occupant un certain volume, les argiles sodiques présentent généralement un gonflement plus prononcé. A contrario, une augmentation de la population échangeable en ions K+ aura souvent pour effet de réduire le gonflement.

Le gonflement tire aussi son origine de la répulsion électrostatique entre les surfaces chargées des feuillets d’argile. Ce processus est sensible à la force ionique de la solution interstitielle (différente de l’espace interfoliaire). Une force ionique élevée (une charge en sel importante) réduira les forces électrostatiques et


147

favorisera le retrait du matériau. Au contraire, une dilution de cette solution interstitielle induira du gonflement.

Enfin, il faut mentionner que les échanges ioniques qui sont de nature réversible peuvent évoluer dans le temps en fonction de la diffusion des ions et/ou de réactions chimiques de dissolution et de précipitation de cinétiques plus lentes.

2.2 COEFFICIENTS D'ACTIVITE DES SOLUTIONS SALINES

Tous les calculs d'activité ont été réalisés avec le logiciel PHREEQC (101) cite par [39] , logiciel de spéciation permettant de modéliser les comportements de nombreux composés minéraux dans des solutions relativement concentrées (complexation de surface, propriétés de la double couche, dissolution - précipitation, etc.). Pour calculer l'activité du calcium en solution, la formule de Debye-Hückel a été utilisée :

(6.4)

Où A et B sont des constantes dépendantes uniquement de la température,a0i et

bi sont des paramètres spécifiques de chaque ion i considéré, dépendants de sa taille et de son énergie d'hydratation, zi est la charge ionique de l'espèce i et m est la force ionique de la solution.

L'activité est alors définie par iii xca γ= ci est la molalité ionique de l'espèce i (c'est-

à-dire sa concentration exprimée par unité de masse de solvant).

3. MESURE DU GONFLEMENT ET DE LA PRESSION DE GONFLEMENT A L’OEDOMETRE

Il existe une multitude de méthodes pour mesurer la pression de gonflement à l’oedomètre. Les méthodes les plus répandues sont :

3.1. LA METHODE D’HUDER ET AMBERG: (1970) dans laquelle le chemin suivi permet de s’affranchir d’un certain nombre d’incertitudes liées par exemple au prélèvement du sol ; cette méthode est relativement délicate à appliquer car elle nécessite l’extrapolation de la courbe de chargement. [13],

3.2. LA METHODE DE GONFLEMENT A VOLUME CONSTANT: selon la norme

ASTMD ∗ 4546-90 : la tendance de l’échantillon à gonfler est neutralisée par l’application d’une charge croissante dès que le déplacement du comparateur ait

∗ American Society of Testing Material


148

atteint 1/100 mm. La valeur de la charge lorsque l’échantillon est stabilisé est la pression de gonflement selon (Sullivan & Mac Lelland, cité par [13].

3.3. LA METHODE DE GONFLEMENT OU TASSEMENT SOUS CHA RGE CONSTANTE: qui nécessite plusieurs échantillons identiques ; chaque échantillon est soumis à une humidification sous charge constante ; selon la valeur de la charge, il se produit un gonflement ou un effondrement du sol. En traçant la courbe des déformations volumiques en fonction des contraintes appliquées, on peut déterminer la contrainte correspondante à une déformation nulle, qui est la pression de gonflement. Selon Sridharan & al. [46], cette courbe est une droite, tandis que Chu & Mou (1973) trouvent une exponentielle et Philipponat cité par [11], une droite ou une hyperbole.

3.4. LA METHODE DE GONFLEMENT LIBRE : suivi d’un rechargement ; après la phase de gonflement libre sous faible charge, l’échantillon quasi saturé suit un chemin de chargement jusqu’à ce que son volume revienne à sa valeur initiale ; la contrainte correspondante est la pression de gonflement.[11].

3.5. GONFLEMENT SELON LA NORME ASTM D-4546-90 – MET HODE A

La procédure ASTM-D adopte la correction de l’effet du remaniement par l’application d’un cycle de chargement déchargement (Voir figure 6.1), la contrainte finale de ce cycle étant l’équivalent du poids des terres avant l’extraction de l’échantillon. Le gonflement de ce dernier, obtenu par imbibition, sera suivi jusqu’à stabilisation. La pression et l’amplitude du gonflement seront obtenues de la même manière que pour la méthode B de la procédure ASTM-D (annexe 3). [5].

Figure 6.1 : Schéma d’un essai de gonflement selon la méthode A de la norme ASTM-D cité par [5].

3.6. METHODE LCPC AVEC VARIATION DE VOLUME


149

Le laboratoire central des ponts et chaussées propose deux variantes pour mesurer-les paramètres de gonflement des sols avec variation de volume (figure 4.13).

Si la contrainte de service sσ est inférieure à la contrainte des poids des terres

( sσ < 0vσ ) ; la variante adoptée consiste à charger l’échantillon avec un taux de chargement de 0.2 jusqu’à ce qu’il retrouve sa hauteur initiale, puis le laisser gonfler par hydratation. Une fois l’amplitude du gonflement maximale atteinte, l’échantillon est déchargée par palier régulier. La pression de gonflement est déterminée par extrapolation.

Si la contrainte de service sσ est supérieure à la contrainte des poids des terres, la variante adoptée consiste à charger l’échantillon toujours avec le taux de 0.2 jusqu’à ce qu’il retrouve sa hauteur initiale, puis le laisser gonfler par hydratation. Une fois l’amplitude du gonflement maximale atteinte, ’échantillon est chargé pour le remettre

aux dimensions qu’il avait sous la contrainte. 0vσ La pression de gonflement est la contrainte qui permet ce retour.

4. PROCEDURE EXPERIMENTALE

4.1. RUSULTATS DE LA MESURE DU GONFLEMENT ET DE LA PRESSION DE GONFLEMENT A L’OEDOMETRE

Seule les deux méthodes dernières procédures décrites précédentes utilisées pour les mesures de nos sols.

Les essais ont été effectués soit sur des échantillons intacts, remanier soit sur des échantillons compacter. Ces derniers ont été préparés par broyage puis par compactage par une teneur en eau de l’optimum à 24 % (compactage normal) et une densité sèche de 13,6 KN/m3 dans le moule de compactage normal.


150

Figure 6.2 : Courbe oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D 4546 -pour différentes argiles de la région de Tlemcen a état naturel.


151


152

Figure 6.3 : Courbe oedométrique de gonflement selon la méthode de LCPC avec variation de volume en état naturel pour l’argile de Tlemcen


154

Les courbes (6.2, et 6.3) ont été établies à partir des essais de gonflement ASTM (méthode A) et la méthode de LCPC avec variation de volume pour deux échantillons différents de la de région de Tlemcen. Ces courbes illustre tes bien des les paramètres de gonflement tels que la pressions de gonflement, et indice de vide initiale et finale

D’après ces résultas expérimentale, nous avons conclu que la durée de l’essai selon la procédure de LCPC avec variation très longue (trois mois) par rapport la procédure de ASTM (méthode A), pour cette raison nous avons suivie nos essais de gonflement en présence des solutions saline par cette dernière.

5. SABILISATION DU GONFLEMENT PAR LES SELS

Les sels sont des corps résultant de l’action d’un acide sur une base .Dans le domaine du génie civil, ils sont généralement utilisés pour lutter contre le gonflement de la formation argileuse, ils agissent sur l’équilibre de la pression osmotique et assurent une stabilisation des sols gonflants.

A la lumière de ce résultat, un programme expérimental a été lancé afin de rendre compte de l’effet des sollicitations chimiques et mécaniques sur le gonflement.

Pour étudier l'effet des sels sur le gonflement libre des sols étudiés, les échantillons ont été saturés dans une cellule oedométrique par des solutions salines à différentes concentrations. Ensuite le gonflement a été mesuré en fonction du temps jusqu'à stabilisation. Le gonflement final est comparé au gonflement final de l'argile saturée à l'eau. La réduction du gonflement final exprimée en pourcents est la différence entre les gonflements à l'eau et avec les solutions salines, rapportée au gonflement final en présence d'eau.

La réduction du gonflement est donnée par la relation :

( ) ( )( )%

%%

eauG

GG

G

G seleau −=∆ (6.5)

Le but de cette série d’essais est consacré d’une part à la recherche de solutions susceptibles d'empêcher le gonflement des argiles étudiées et d’autre part à ne retenir que celles qui nous donnent un phénomène irréversible du gonflement.

Les essais choisis sont des essais uniaxiaux (uniquement une contrainte axiale est appliquée). Le choix de ces essais a été guidé selon la norme ASTM 4546D méthode (voir méthode détaillée annexe 1).

Les solutions salines ont été préparées par dissolution de sels dans l’eau déminéralisée. La liste des sels monovalents, des sels divalents et un sel trivalent à différentes concentrations sont :

• Chlorure de Potassium KCl


155

• Chlorure de Sodium NaCl • Chlorure d’ammonium N4HCl • Chlorure de Calcium CaCl2 • Chlorure de Magnésium MgCl2 • Chlorure de Aluminium AlCl3

Les molalités des solutions salines sont de 0,05 mole/litre (M) ; 0,5 M ; 1 M et 2 M.

Ces sels ont été choisis du fait qu’ils sont fréquents dans la composition de l’eau interstitielle des formations argileuses.

Les essais ont été effectués sur des échantillons intacts de l’argile de Mansourah (Tlemcen) avec un sel de chlorure de calcium (Cacl2) à cinq concentrations (0,5, 2, 2,5, 3, et 5 mole/l).

D’autres essais ont été effectués sur des échantillons remaniés pour de l’argile Mansourah (Tlemcen) avec un sel de chlorure de sodium (Nacl) à cinq concentration (0,05, 0,5, 1, 2 et 2,5 mole /l), ayant les caractéristiques suivantes :

• Densité sèche Yd =16KN/m3 • Teneur en eau W0 = 25% • Hauteur H =20 mm

D’autres essais ont été effectués sur des échantillons reconstitués à une teneur en eau de 24% et une densité sèche de 13,6 KN/m3 de l’essai Proctor normal selon la norme NF - P94-93 pour l’argile de Maghnia.

Les dimensions des tous les échantillons utilisés :

• Les échantillons ont une hauteur de 20 mm et un diamètre de 50 mm. • D’autres ont une hauteur de 18 mm et un diamètre de 50 mm. • D’autres ont une cote de 36 mm.

6. RESULTATS OBTENUS

Les tentatives de la stabilisation chimique du gonflement se font uniquement pour l’argile de Maghnia et de Mansourah par six types de sels.

Nous avons réalisé une trentaine essais de gonflement libre (méthode A) selon la la norme ASTM. Les caractéristiques initiales de ces essais sont fixées théoriquement et les valeurs réelles ont présenté préalablement.

6.1. ACTION DES DIFFERENTS TYPES DE SELS SUR LE TAU X DE GONFLEMENT

6.1.1 Action chlorure de sodium

Les figures (6.3) et (6.4) représentent la variation du taux de gonflement (G) en fonction du logarithme du temps de l’argile remaniée de Mansourah (Tlemcen) et l’argile reconstituée de Maghnia respectivement à différentes concentrations.


156

Figure 6.4: Action chlorure de sodium pour l’argile de Maghnia.

Figure 6.5 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Mansourah.

Nous pouvons remarquer qu’une forte concentration de chlorure de sodium a pour l’effet de diminuer le gonflement final.

La concentration de 2 mole/l donne une valeur de gonflement final de 8,056% soit une réduction de 70% par rapport à l’eau pour l’argile de Maghnia et un gonflement final de 2,725 soit une réduction de 51% par rapport à l’eau pour l’argile remaniée de Mansourah.

Le tableau (6.1) présente les différents pourcentages de réduction pour les différentes concentrations.

Tableau 6.1 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia et Mansourah en présence du chlorure de sodium.

6.1.2 Action Chlorure potassium

Nous avons trouvé qu’avec une faible concentration de chlorure de potassium a pour effet de diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration de


157

0,5 mole/l le gonflement final %. Ceci est clair dans la figure (6.6) pour l’argile de Maghnia. Aussi ce sel a une efficacité sur la vitesse du gonflement (voir chapitre 6).

Figure 6.6: Action chlorure de potassium pour l’argile de Maghnia.


Tableau 6.2 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure de potassium pour l’argile

6.1.3 Action Chlorure d’ammonium

La figure suivante représente la variation du taux de gonflement (G) en fonction du logarithme du temps de l’argile reconstituée de Maghnia à différentes concentrations.


158

Figure 6.7 : Action chlorure d’ammonium pour l’argile de Maghnia.

La même remarque qu’une forte concentration de chlorure d’ammonium a pour effet de diminuer le gonflement final. La concentration de 2 mole/l donne une valeur de gonflement final de 8,565 soit une réduction de 68 par rapport à l’eau pour l’argile de Maghnia. Le tableau (6.3) présente les différents pourcentages de réduction pour les différentes concentrations.

Tableau 6.3 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure d’ammonium.

6.1.4 Action Chlorure Calcium

Figure 6.6 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Maghnia.

Figure 6.7 : Action chlorure de sodium pour l’argile de Maghnia.

Nous pouvons constater qu’avec une forte concentration de chlorure de calcium a pour effet de diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration de 5 mole/l le gonflement final est de 5,07 soit une réduction de 75% par rapport à l’eau pour l’argile intacte de Mansourah (Tlemcen) et pour une concentration de 2 mole/l le taux de gonflement est de 5,065% soit une réduction de 81% par rapport à l’eau pour l’argile de Maghnia. Le tableau 6.4 présente les différents pourcentages de réduction pour les différentes concentrations.


159

Tableau 6.8 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia et Mansourah en présence du chlorure de Calcium.

6.1.5 Action Chlorure Magnésium

Figure 6.9 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du

chlorure de. Magnésium.


Tableau 6.5 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du

chlorure de Magnésium.


160

Nous pouvons constater qu’avec une forte concentration de chlorure de

magnésium a pour effet de diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration de 2 mole/l le gonflement final est de 5,111 soit une réduction de 81% par rapport à l’eau pour l’argile de Maghnia.

6.1.6 Action Chlorure d’aluminium

Figure 6.10 : . Réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du

chlorure d’aluminium.


Tableau 6.6 : réduction du gonflement final de l’argile de Maghnia en présence du chlorure de Magnésium.

Nous pouvons observer qu’avec une forte concentration de chlorure de aluminium

a pour effet de diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration de


161

5 mole/l le gonflement final est de 7,743 soit une réduction de 71,21% par rapport à l’eau pour l’argile de Maghnia. Ces résultats sont n’est pas accordés que nous avons vu dans la théorique.

6.2 INFLUENCE DE LA VALENCE DES CATIONS.

La valence est probablement le facteur déterminant dans la capacité d’échange ou de remplacement des cations plus élevé qui peuvent remplacer facilement les cations de valeurs plus faibles. Dans le cas des ions de même valence, la taille de l’ion hydraté revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité de remplacement est grande.

Le potassium remplit pose toutefois un problème supplémentaire. En effet même s’il est monovalent, le potassium remplit très bien le trou hexagonal dans le feuillet de silice ; par conséquent, il sera solidement maintenu en place à la surface de l’argile et aura une plus grande capacité de remplacement que le sodium (aussi monovalent), par exemple. On peut dresser une liste des cations par ordre approximatif de capacité de remplacement, mais l’ordre réel dépend, entre autres choses, du type d’argile, de la nature des ions à remplacer et de la concentration des divers ions dans l'eau. Par ordre de capacité de remplacement croissante, les ions se classent comme suit : d'après holtz D et willam D.

Li +<Na+< H+<NH4+< K+<< Mg2+<Ca2+<<Al3+

Selon la théorie de Gouy-Chapman, lorsque la valence des cations augmente, le gonflement diminue. Bien que cette théorie suppose que les ions monovalents se manifestent par le gonflement le plus élevé, ce qui est le cas ici, des solutions de CaCl2 (2 M), NaCl (2 M), kCl (2 M), N4HCl (2 M), (Fig. 6.9).

Figure 6.11 : Influence de la valence des cations sur le gonflement.

Ca2+ qui a la même valence de 9,6 ; donc on ne peut attribuer l’effet du rayon des cations de la même valence sur le gonflement. Ainsi pour Le rayon ionique du Na+


162

est de 5.6 A0, il est le plus élevé par rapport au rayon d’ion de K+ qui a la même valence de 3,8. Voir tableau suivant :

Tableau 6.7 : La taille de différentes type cations.

Les résultats de ces essais ont conclu que lors de l’hydratation du cation

compensateur, l’écartement des feuillets d’argiles sera d’autant plus faible que le rayon ionique hydraté sera petit pour les cations compensateurs de même valence. (Figure. 6.11).

Par ailleurs, les smectites homoioniques contenant des cations divalents dans leur interfeuillet présentent un potentiel zêta plus faible en valeur absolue que les échantillons contenant des cations monovalents. Ainsi, des potentiels très faibles en valeur absolue ont été relevés pour des argiles calciques, suggérant une adsorption considérable dans la couche de Stern. De plus, un échange cationique avec un cation de valence plus élevée diminue encore la valeur absolue du potentiel zêta; et peut aller jusqu'à inverser la charge (109) cite par [40].

6.3 INFLUENCE DE LA CONCENTRATION DES SELS SUR LE GONFLEMENT.163

La mobilité change peu avec la concentration en cations faiblement chargés, cependant son signe peut être inversé par des cations fortement adsorbés ou très chargés (108) cite par [40].

En remplaçant de l’eau déminéralisée par une solution plus concentrée, on observe un retrait de l’échantillon du fait de la différence de concentration entre la solution externe et l’eau des pores.

Pour différents sels et différentes concentrations, nous pouvant ainsi classer à priori l'efficacité des traitements par ordre croissant ; c à d:

(0,05 M) < + (0,05 M) < (0,5 M) <'(1 M) < (2 M)

ou "(0,5 M) < (1 M)

Où + et " représentent la valence du cation, et la quantité entre parenthèses, la molarité du sel.


163

Nous avons observé une légère diminution du gonflement pour une concentration de 0,05 M par apport à la solution init iale quelle que soit la solution saline. (Fig.6.13).

Figure 6.12 : Variation de gonflement en

fonction du temps en présence de l’eau

distillé et par une solution saline du Nacl de

la concentration de 0,05 mole/l pour l’argile

compacter de Maghnia.

Figure 6.13 : Variation de

gonflement en fonction du temps en

présence de l’eau distillé et par une

solution saline du Nacl de la

concentration de 0,05 mole/l pour

l’argile remaniée de Mansourah.

Pour une concentration de 0,5 M le pourcentage de la réduction du gonflement est identique quelle que soit la solution saline. (Figure 8.12).

Figure 6.14 :Variation de gonflement en fonction du temps en présence de

l’eau distillé et par déffirentes solutions salines de une seul concentration de 0,5


164

mole/l pour l’argile compacter de Maghnia.

Cependant, une concentration de 2 mole/l quelle- que soit la solution saline- conduit à des réductions importantes du gonflement et donne un temps de stabilisation court. Les tendances de l’allure de différentes courbes sont identiques (voir Figure 6.14). Cependant, on note aussi, de façon plus surprenante qu'avec deux type d'argiles que nous avons utilisés, le chlorure de calcium conduit à des réductions importantes du gonflement.

Figure 6.15 : Variation de gonflement en fonction du temps en présence de l’eau distillé et par déffirentes solutions salines de une seul concentration de 2

mole/l pour l’argile compacter de Maghnia.

6.4. SYNTHESE DES RESULTATS

La comparaison entre les différents sels sur l’argile compacter de Maghnia et de Mansourah Il est très difficile de tire une conclusion globale de l’action des différents sels, car si l’on constate bien en général un effet positifs sur la réduction du gonflement cet effet varie fortement d’une argile à l’autre.

La dispersion des résultats est en partie due à l’hétérogénéité des matériau étudies du fait que les mesures de gonflement se font toutes sur des échantillons différents. Cette étude est destinée que seulement l’argile compacter de Maghnia qui présente un taux de gonflement très élevé.

Le contrôle de la teneur en initiale pour les argiles intactes et du poids volumique humide est très délicat, il faillait à vérifier avant le commencement de chaque essai de stabilisation, en effet au début nous avons perdu cinq essais.

ces résultats sont accordés que nous avons vu dans la théorique selon l’effet de la valence est probablement le facteur déterminant dans la capacité d’échange ou de remplacement des cations plus élevé qui peuvent remplacer facilement les cations


165

de valeurs plus faibles. Dans le cas des ions de même valence, la taille de l’ion hydraté revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité de remplacement est grande par contre ces résultats sont n’est pas accordés que nous avons vu dans la théorique.

6.5. ACTION DES SELS SUR LA PRESSION DE GONFLEMENT

Pour étudier l’effet des sels sur la pression de gonflements des sols considérés, les échantillons ont été saturés dans une celle œnométrique par des solutions salines à différentes concentrations. Cette pression a été mesurée selon la norme ASTM (méthode A).

La réduction de la pression de gonflement exprimée en pourcentage est la différence entre la pression à l’eau et avec les solutions salines, rapportée à la pression de gonflement en présence d'eau.

La réduction de la pression de gonflement est donnée par la relation :

( ) ( )( )%

%%

eauP

PP

P

P seleau −=∆ (6.6)

D’après les résultats des courbes de gonflement selon la méthode (A) de la norme ASTM nous avons constaté que les pressions de gonflements mesurées sur les échantillons saturés aux différents sels à différentes concentrations salines sont presque identiques à celles saturées à l’eau. Les résultas des différents essais sont regroupés dans le tableau (6.8).

La pression de gonflement gs n’est donc pas une grandeur intrinsèque au matériau mais dépend fortement du chemin de chargement. (Choix de la procédure).

Les problèmes de mesure, dus notamment aux frottements parasites survenant à l’intérieur des œdomètres lors d’essais à gonflement libre.

Le contrôle du dispositif (bâti œdomètrique), et surtout le compteur cause les erreurs de l’opérateur.


166

Figure 6.16 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Kcl par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia.


167

Figure 6.17 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia.


168

Figure 6.18 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Nacl par

différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia.


169

Figure 6.19 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia.


170

Figure 6.20 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia.


171

Figure 6.21 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Alcl3 par

différentes concentrations salines pour l’argile de Maghnia.


172


173

Figure 6.22: Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par

différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah.


174

Figure 6.23 : Courbes oedométrique de gonflement selon la méthode ( A ) de la norme ASTM-D-4546 en présence du Nacl par

différentes concentrations salines pour l’argile de Mansourah.


175

Tableau 6.8 : Pression de gonflement et variation relatives des pressions de gonflement en présence de différences solutions salines à plusieurs concentrations.


176

7. CONCLUSION

D’après les conséquences des sols expansifs, Plusieurs chercheurs ont étudie la stabilisation des sols expansifs. Le gonflement des sols argileux est un phénomène très complexe qui fait intervenir des grands nombreux procédés de stabilisation sont disponibles. Mais la technique de stabilisation par les sels est récemment utilisée.

Il faut signaler que l’étude stabilisation des sols gonflants est élaborée principalement à l’aide de l’appareil oedométrique, ceci pour deux raisons essentielles : la première est que l’état qui règne dans le moule oedométrique est proche de l’état du sol in situ, la seconde est sa grande diffusion.

a pression de gonflement gs n’est donc pas une grandeur intrinsèque au matériau mais dépend fortement du chemin de chargement.

Les problèmes de mesure, dus notamment aux frottements parasites survenant à l’intérieur des œdomètres lors d’essais à gonflement libre.

Conclusion générale

177

CONCLUSION GENERALE

Ce sont les conséquences néfastes du gonflement des sols sur les ouvrages en surfaces et en souterrains qui ont incité les recherches et les ingénieurs à penser à des remèdes et des solutions aux causes des dégâts engendrés par ce phénomène.

Cette étude s’inscrit dans le cadre de la stabilisation de deux argiles gonflants de la région de Tlemcen (Mansourah, Maghnia), mise en contact avec des solutions aqueuses. L’intérêt a été particulièrement porté pour objectifs :

• Mesure les amplitudes et les pressions du gonflement d’une région. • Trouver des solutions pratiques de stabilisation du phénomène du gonflement.

• En première lieu, une étude bibliographique réalisée dans ce mémoire a mis en relief l’importance et les conséquences du gonflement sur la stabilité et le comportement des ouvrages creusés dans les matériaux argileux. Il a également permis de mettre en évidence de la complexité de ce phénomène surtout a l’échelle microscopique en raison des nombreux mécanismes impliques (adsorption, osmose, capillarité).ces mécanisme ont été décrit et présentés d’un point de vue théorique et les approches de modélisation.

• Toute la difficulté résidée dans la définition des paramètres sensés présentée le phénomène du gonflement et par la suite caractériser les sols gonflants. Il est note que l influence de l’état initiale du sol est très importante sur le gonflement, de ce fait les paramètres obtenus dépendent essentiellement de la densité sèche, la teneur en eau initiale et d’autres paramètres extérieurs tel que l effet cyclique (humidification /dessiccation).

• Par ailleurs, une étude de la cinétique du gonflement présenté par quelques résultats a trouvé par divers chercheurs. D après les observations et les suivi tentativement l’évolution du gonflement en fonction du temps, nous avons remarqué selon la forme des courbes trois phases principales (inter vide, primaire et secondaire).

• Aussi nous avons pu déterminer grâce à une régression linéaire les deux paramètres caractérisant la cinétique du gonflement à partir de l’expression de Voysanade. Cette approche est intéressante dans le sens ou elle nous permit de définir l’amplitude de gonflement finale et son demi temps de gonflement.

• La stabilisation des sols argileux a été étudie par un grand nombre des chercher. Beaucoup des méthodes et d’appareillages ont été mis au point, pour avoir des solutions qui minimisent le phénomène de gonflement.


178

Pour reconnaître et identifier un sol argileux plusieurs études doivent être faites, une étude géotechnique et chimique pour déterminer les paramètre physiques suivie de mesures directes de paramètres mécanique (amplitude de gonflement et pression de gonflement) basée sur des méthodes oedométriques.

L’étude expérimentale a consisté tout d’abord à la détermination des paramètres géotechniques et mécaniques des sols provenant des, ensuite une étude Sites Mansourat et Maghnia de la région de Tlemcen

Enfin une étude qui porte sur l’effet de différents sels à différentes concentrations sur les paramètres mécaniques, afin d’en déduire une méthode pratique de stabilisation du gonflement et de sa pression.

Sur la base des résultats obtenus sur nos argiles et à la lumière des interprétations de ces résultats, plusieurs conclusions ont été faites :

• La densité sèche affecte sensiblement le gonflement et la pression de gonflement, tant que la densité sèche augmente le gonflement et sa pression augmentent ceci est expliqué par le faite que le matériau le plus dense exhibera un gonflement et une pression de gonflement plus grands car il contient un nombre supérieur de particules argileuses.

• Le gonflement est inversement proportionnelle à la teneur en eau initiale, quand celle ci augmente, le gonflement diminue, à partir de ces seuls essais il est difficile de trouver une loi de variation du gonflement, cependant il a été possible de déterminer une teneur en eau critique qui donnerait un gonflement apparent nul.

• L’action des diverses solutions salines sur le gonflement nous a conduit à retenir les conclusions suivantes:

• Influence des solutions salines et leurs concentrations, leur valences et tailles sur l’amplitude de gonflement a effet très prononcé. Mais l’effet de la valence est probablement le facteur déterminant dans la capacité d’échange ou de remplacement des cations plus élevé peuvent remplacer facilement les cations de valeurs plus faibles. Dans le cas des ions de même valence, la taille de l’ion hydraté revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité de remplacement est grande. Mais nous avons trouvé le contraire pour le chlorure d’Aluminium. Ceci n’a pas donné une réduction du gonflement, mais sauf dans le cas ou la concentration est forte

• Le chlorure de calcium et le chlorure de Magnésium sont plus efficaces à fortes ou fortes concentrations

• Le chlorure de potassium réduit le gonflement des sols étudiés grâce à la fixation de ces cations entre les feuillets, le gonflement diminue et sa vitesse est rapide même à faibles concentrations.


179

• Le chlorure de sodium réduit lui aussi le gonflement mais à un degré faible, ne il à surtout l’avantage d’être le moins coûteux.

• Le chlorure d’ammonium est moyennement réduit la gonflement ou la concentration est forte.

• L’effet des solutions salines et leurs concentrations sur la pression de gonflement n’a rien révélé, cependant il serait préférable d’étudier leurs effet en utilisant d’autres méthodes pour pouvoir classer ces solutions suivant leurs degré d’inhibition.

L’application de la technique de stabilisation des sols gonflants par les sels à des ouvrages réels doit être envisagé notamment dans le cas où les essais au laboratoire ne mettent pas en évidence de façon claire l’obtention d’un équilibre, il n’est pas impossible alors que le gonflement des matériaux traités puisse rejoindre celui des matériaux non traités.

Il ressort néanmoins des essais réalisés qu’il est indispensable d’effectuer une étude spécifique détaillée si possible dans les conditions du sites avant chaque cas de traitement envisagé afin de définir la nature et la concentration des solutions salines à utiliser sur un site.

Par ailleurs la possibilité de lixivation des sels à long termes par les eaux de pluie ne peut être écarté pour cela il est conseillé d’étudier le phénomène d’irréversibilité en analysant les échantillons stabilisés et mis au contact de l’eau au microscope à balayage électronique M.E.B ; l’utilisation de surfactants permet également un traitement efficace des sols argileux [10].

Recommandations :

Les recherches doivent se poursuivre notamment :

• L’établissement d’un appareillage pour mesurer la pression de gonflement, notamment un appareillage qui permet le contrôle de la pression interstitielle et le degré de saturation de l’échantillon au cours de l’essai.

• L’établissement des modèles de prédiction de la pression de gonflement pour les argiles de la région de Tlemcen.

• La réalisation des mesures sur le site, sur plusieurs années, afin de vérifier les modèles.

• L’établissement d’un code réglementaire pour la conception des fondations de sols gonflants.

• L’établissement d’une carte de localisation des régions Algériennes susceptibles d’être affectées par les dommages résultant des sols gonflants.

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ANNEXE A

Lexique :

Ce lexique a été élaboré à partir du grand dictionnaire terminologique, disponible sur internet à l'adresse suivante : http://www.granddictionnaire.com/_fs_global_01.htm

Bentonite : 1/ Actuellement, argiles dont le constituant principal est un minéral de la famille de la montmorillonite. 2/ Argile colloïdale du type Montmorillonite dont les particules constitutives sont suffisamment fines pour n'apparaître qu'au microscope électronique; leur dimension est en effet de l'ordre du dixième de micron. 3/ Argile ayant la propriété de se disperser finement sous forme de suspension colloïdale dans l'eau et de ce fait utilisée pour la préparation des boues de forage. 4/ Argiles colloïdales surtout formées de montmorillonite. Elles peuvent contenir des alcalis, de la chaux, de la magnésie, du fer, de l'alumine en faible proportion. Ce sont des minéraux phylliteux (découverts en 1888 à Fort Benton aux USA), formés par la superposition de 2 ou 3 feuillets de 10 Angströms d'épaisseur. Ces bentonites présentent la propriété remarquable d'absorber de grandes quantités d'eau et de gonfler, car les molécules d'eau peuvent se placer entre les feuillets dont les espacements passent de 10 à 20 Angströms (gonflement inter-cristallin).

Hectorite : Minéral argileux, équivalent magnésien de la montmorillonite

Isomorphe: (ANGLAIS : isomorph, isomorphic) Se dit de minéraux ayant la même structure cristalline, mais ayant des compositions chimiques différentes (voisines cependant).

Montmorillonite : (ANGLAIS : montmorillonite) Groupe de minéraux argileux (silicates d'Al) dont les cristaux ont une structure réticulaire 2/1, extensible, (une couche octaédrique de Al2O3 entre deux couches tétraédriques de SiO2), et une forte capacité d'échange de cations. Un des alumino-silicates du groupe de la smectite. L'un des constituants principaux des argiles, caractérisé par une aptitude particulière au gonflement, due à sa structure cristalline qui permet à des molécules d'eau de s'insérer entre les feuillets.

Note(s) : Ce type d'argile se rétracte et se gonfle considérablement avec les changements d'humidité D'autres minéraux argileux, de même structure réticulaire 2/1, extensible, appartenant au même groupe, sont la nontronite, la beidellite et la saponite; la terre à foulon est un type non plastique. Très onctueuse au toucher, elle provient de l'altération continentale de roches éruptives basiques.

Mica : Groupe de silicates de compositions variables mais désignant aussi la muscovite (H,K)AlSiO4, en cristaux monocliniques, très facilement clivables, sectiles et incurvables.

ANNEXE 0B : Procédures d’essais normalisées A.1 - ASTM D4546 (American Society for Testing and Materials, 1985) L’American Society for Testing and Materials (ASTM, 1985) préconise trois procédures d’essais à l’oedomètre (figure A.1) :

Méthode I :

Boucle de chargement, déchargement, rechargement (chemins 1, 2 et 3) puis imbibition et gonflement libre sous le poids du piston jusqu’à ce que le mouvement du piston devienne négligeable (chemins 3 et 4). Dans un dernier temps, on procède à un chargement par paliers pour ramener l’éprouvette à sa hauteur initiale (chemins 4 et 5) ;

Méthode II :

Gonflement sous une charge constante égale à la contrainte verticale en place jusqu’à ce que le mouvement du piston devienne négligeable (chemins 2 et 3), puis chargement par paliers pour ramener l’éprouvette à sa hauteur initiale (chemins 3 et 5).

Méthode III :

Gonflement à volume constant à partir du poids des terres (chemins 2 et 3). L’essai est poursuivi par un essai oedométrique conventionnel avec boucles de chargement-déchargement, afin d’évaluer le potentiel de gonflement. Dans les méthodes II et III, l’éprouvette est préalablement chargée dans son état naturel sous le poids des terres. Dans la méthode I, un cycle de chargement-déchargement peut être appliqué, avant imbibition. Ces procédures sont accompagnées de recommandations pour le stockage et la préparation des échantillons. Les paramètres mesurés sont indiqués à titre indicatif sur la figure A.1.

Figure A.1 : Procédures d’essais de gonflement de ASTM D4546 (1985)

A.2 - DIDIER et al. (1987) Ces auteurs proposent plusieurs procédures opératoires. L’utilisation d’une loi hyperbolique est suggérée pour déterminer la durée du palier d’imbibition et des paliers suivants. L’éprouvette est chargée à partir du poids du piston dσ jusqu’au poids des

terres vàσ à sa teneur en eau naturelle, puis on procède à un cycle et demi de chargement-déchargement-rechargement. A partir de l’état caractérisé par l’indice des vides e0 obtenu sous vàσ l’essai peut être prolongé par l’une des trois procédures suivantes. (figure A.2) A.2.a - Description des procédures d’essais

Méthode 1 :

L’essai avec saturation à volume constant du sol sous poids des terres (e=eo), est destiné en premier lieu à déterminer la pression de gonflement du sol et à apprécier sa capacité de gonflement par une série de déchargements ultérieurs. La tolérance

proposée sur les variations autorisées de volume de l’éprouvette est 410−<∆V

V dans le

cas des essais de longue durée.

Figure A.2 : Procédures d’essais de gonflement de Didier et al. (1987) Méthode 2 : L’essai avec gonflement libre sous poids des terres, est destiné à évaluer l’amplitude de gonflement, mais permet aussi d’estimer vàσ Deux variantes peuvent être envisagées

pour cet essai, suivant que la contrainte vfσ induite au sein du terrain par l’état de

service de la structure est supérieure ou non au poids des terres. Dans les deux cas, l’échantillon est saturé sous le poids des terres, puis : - rechargé de manière progressive jusqu’à ce qu’il retrouve sa hauteur avant saturation, pour être ensuite ramené progressivement à la précontrainte dσ Cet essai est adapté au

cas où vàvf σσ >

-soit directement ramené à la contrainte initiale vàvf σσ <

A.2.b - Détermination de la durée des paliers de go nflement à partir d’une loi hyperbolique A.2.b.1 - Suivi d’un palier de gonflement Un des points fondamentaux d’un essai de gonflement de type incrémental est la durée des paliers de déchargement ou de saturation. A la différence des essais de compressibilité, on estimera que dans un essai de gonflement uniaxial, on peut passer au palier suivant lorsque la vitesse de gonflement est inférieure ou égale à une vitesse limite, qui peut être, elle aussi, forfaitaire. Cette démarche est d’ailleurs celle adoptée pour les essais “rapides” décrits précédemment, le “seuil” retenu étant de 1/100 mm par 8 heures dans le cas de l’étape de saturation pour des échantillons de hauteur initiale H0 voisine de 20 mm. Cette dernière procédure nécessitant quelques précautions d’utilisation, il est apparu judicieux d’utiliser le critère suivant : le palier de déchargement (i+1) est amorcée

lorsque la variation du taux de gonflement i

i HH

∆∆=∆0

ε de l’échantillon mesurée

pendant le palier i est supérieure ou égale à 95 % de la variation du taux de gonflement

∞∆ ,iε que le sol serait susceptible de manifester sous cette même contrainte au bout

d’un temps infini. Cette méthode qui présente l’avantage d’être adaptée à la variabilité des éprouvettes étudiées, nécessite, en contrepartie, la mise au point d’un outil de calcul à la fois simple et représentatif de la cinétique générale du phénomène de gonflement. L’utilisation d’une loi hyperbolique répond à ces deux conditions. A.2.b.2 - Calcul de ∞∆ ,iε au moyen d’une loi hyperbolique

Dakshanamurthy (1978), Vayssade (1978), Parcevaux (1980) et Didier et al. (1985) ont montré qu’expérimentalement, la cinétique du gonflement, en règle générale, peut être approchée par une relation hyperbolique de la forme :

( )tB

tt ii +

∆=∆ ∞,εε

On démontre aisément que ∞∆ ,iε est égal à l’inverse de la pente de la droite de

régression des

points expérimentaux exprimés dans le diagramme ( )

∆t

t

t

i

,ε

complété au fur et à

mesure des lectures par l’opérateur, en parallèle avec le tracé du diagramme ( )( )Logtti ,ε∆

A.2.b.3 - Interprétation des données

• Détermination de la courbe théorique de gonflement

L’intérêt de la mise en œuvre de la loi hyperbolique dans la détermination de la durée de chaque palier de déchargement réside dans le fait qu’il est facile, à partir de ces calculs, de tracer la courbe de gonflement théorique du sol, représentative d’un gonflement à un temps infini (figurée en pointillé sur la figure A.2). Le taux de gonflement infini ∞∆ ,iε de l’éprouvette, sous contrainte iσ sera calculé pour i

croissant à l’aide de la relation :

∞−∞ ∆+=∆ ,1, iii εεε

dans laquelle 1−iε est le taux de gonflement mesuré de l’éprouvette à la fin du palier

précédent, ∞∆ ,iε ayant été défini précédemment.

Le choix de cette équation se justifie par le fait que le phénomène de gonflement correspondant au palier i-1 n’étant pas stabilisé au début du palier i ; la valeur de ∞∆ ,iε

calculée par la loi hyperbolique intègre le cumul des résidus de déformation des étapes précédentes. Le calcul de ∞∆ ,iε par la relation

conduit à surestimer la valeur de ce taux du gonflement.

• Détermination des paramètres de gonflement du sol La pression de gonflement gσ est définie par l’abscisse du point G, intersection de

l’horizontale (e=e0) et du prolongement de la partie linéaire de la courbe de gonflement théorique. On considérera que la pente g C de la droite théorique constitue une valeur approchée de l’indice de gonflement du sol, reliant la variation du taux de gonflement à celle de logarithme des contraintes effectives. A.3 - ISRM (International Society for Rock Mechanic s, 1989) La Société Internationale de Mécanique des Roches (ISRM, 1989) donne des recommandations pour l’échantillonnage, le stockage et la préparation des éprouvettes et propose trois méthodes d’essais :

- gonflement libre d’une éprouvette non confinée, immergée dans un bac, avec mesure des déformations de gonflement axiale (à l’aide d’un comparateur) et radiale (à l’aide d’une bague graduée) ; - gonflement à volume constant pour déterminer une pression maximale de gonflement ; - gonflement sous plusieurs paliers de décharge (figure A.3). Cette dernière procédure basée sur l'essai Huder-Amberg a pour but de mesurer la déformation axiale de gonflement d’une éprouvette de roche placée dans un oedomètre et résultant de la décharge du matériau à partir de la valeur maximale de la contrainte (le poids des terres, par exemple) jusqu’à une valeur compatible avec le projet. Elle est applicable aux cas où les conditions aux limites sont assimilables aux conditions oedométriques. Pour chaque palier de déchargement sous imbibition, on distingue la part instantanée de la déformation σε∆ directement liée au déchargement et la part ε∆ due au

gonflement par adsorption d’eau. Le cumul de cette dernière donne la courbe de gonflement ( )∑ ∆ε .

Figure A3 : Procédure d’essais de gonflement de ISRM (1989)

A.4 - ISSMFE (International Society for Soils Mecha nics and Foundation Engineering, 1990)

La Société Internationale de Mécanique des Sols et Travaux de Fondations (ISSMFE, 1991) propose une méthode d’essais basée sur des oedomètres en parallèle (figure A.4). Plusieurs éprouvettes d’un même sol sont imbibées dans des cellules oedométriques et sous différentes Déformation axiale (%) charges, ce qui permet de déterminer une pression de gonflement gσ et un coefficient Cg. La déformation étant

mesurée directement à partir du début du gonflement, la méthode donne directement le potentiel de gonflement.

Figure A.4 : Procédure d’essais de gonflement ISSMFE (1991)

A.5 - BS 1377 (British Standard, 1990) Trois méthodes d’essais de gonflement à l’oedomètre sont préconisées pour les sols fins : mesure de la pression de gonflement à volume constant, à partir du poids du piston, puis déchargement par paliers ou rechargement par paliers sous imbibition, selon une séquence de chargement appropriée ; même séquence de gonflement à volume constant jusqu’à la pression de gonflement puis déchargement par paliers et sous imbibition, selon une séquence de charges appropriée jusqu’à une charge minimale prédéfinie et enfin rechargement jusqu’à la pression de gonflement en suivant la même séquence de charges. Cette dernière séquence permet de déterminer les paramètres de compressibilité et de consolidation du sol testé ;

- chargement jusqu’à la contrainte vàσ correspondant au poids des terres, puis imbibition (effondrement ou gonflement) jusqu’à stabilisation et poursuite de l’essai par un cycle de chargement et de déchargement par paliers.

A.6 - Essai de gonflement-effondrement pour les sol s compactés (Mieussens, 1993) Une procédure d’essais oedométriques a été développée au Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Toulouse (Mieussens, 1993) dans le but de qualifier les matériaux compactés. Cette procédure prévoit de tester, en une semaine, six éprouvettes identiques au départ. L’argile est compactée par compactage semi-statique dans les moules oedométriques, puis les éprouvettes sont chargées sous 25, 50, 100, 200, 400 et 800 kPa de contrainte totale axiale aσ respectivement pendant trois jours. Les éprouvettes sont mises en présence d’eau pendant quatre jours supplémentaires. L’évolution de la déformation axiale aε est enregistrée au cours du temps. Suivant la nature du matériau testé, son état résultant du compactage et le niveau de chargement, cette opération peut provoquer un gonflement ou un effondrement. Une courbe C1 représentent alors les déformations obtenues au bout de trois jours, pour chacune des six éprouvettes, sous lescharges qui leur sont appliquées tandis qu'une courbe C2 montre les déformations de chacune des éprouvettes, sous ces mêmes charges, après quatre jours d’imbibition. La comparaison de ces deux courbes renseigne, d’une part, sur la compressibilité du sol compacté et, d’autre part, sur sa sensibilité à l’imbibition. A.7 - Norme Française NF P 94-091 (AFNOR, 1995) La procédure de cette norme permet de déterminer la pression de gonflement et le potentiel de gonflement d’un sol en présence d’eau sous différentes charges. L’essai s’effectue à l’oedomètre sur plusieurs éprouvettes identiques (essais en parallèle). La norme précise les conditions d’essai, le choix des charges à appliquer aux éprouvettes et la méthode d’exploitation des résultats. La procédure s’attache essentiellement à la détermination de la pression de gonflement et du potentiel de gonflement (part de la déformation due à l’imbibition).

ANNEXE C : Matériels utilisés pour les essais

des gonflements

B.1. Description de l’appareillage œdométrique Le plus ancien de ces appareils est celui de Palit (figure B.1). Il permet le réglage de la hauteur verticale de l’échantillon, au moyen d’une vis, la pression de confinement étant déterminée par lecture sur l’anneau dynamométrique. Cette technique a été reprise par la majorité des autres cellules de pression de gonflement expérimentées depuis, moyennant quelques améliorations.

Figure C.1 : Appareillage de mesure de la pression de gonflement de Palit (1953)

La flexibilité de l’anneau dynamométrique de l’appareil de Palit a, dans un premier temps, été très contestée et décrite comme la cause d’erreurs dans la détermination de la pression de gonflement Agarwal et al., 1973 ; Didier, 1973). De fait, il est prouvé que le moindre déplacement autorisé réduit fortement la contrainte exercée. Pour remédier à cela, plusieurs améliorations ont été apportées au dispositif œdométrique. Elles consistent soit à automatiser la remise sous contrainte des échantillons dès l’apparition du moindre déplacement axial (Agarwal et al., 1973), soit à rigidifier l’ensemble de l’appareillage (Didier, 1973).

La presse asservie d’Agarwall et al. (figure B.2) permet un contrôle en déplacement très fin. Une remise en charge de l’échantillon a lieu dès que le déplacement axial est supérieur à 1/12 de mm,

c’est à dire que la variation du volume atteint la valeur

Figure C.2 : Appareillage de mesure de la pression de gonflement

Didier (1973), pour sa part, préfère confiner l’échantillon dans une cavité rigide (figure B.3.a), la pression de gonflement étant déduite de la mesure de la déflexion d’une plaque d’acier préétalonnée. Cette cellule rigide permet une précision sur le volume de

l’ordre de Il décrit aussi une autre cellule basée sur le principe oedométrique (figure B.3.b), qui permet de suivre la pression de gonflement exercée à volume constant en fonction de l’état de succion de l’échantillon. Cet appareil permet de bloquer totalement le piston durant la saturation et donc d’obtenir la valeur de la pression de gonflement pour un volume rigoureusement constant. Il permet par ailleurs d’effectuer aussi des essais à

donné.

Figure C.3 : Cellule de mesure de la pression de gonflement de Didier

B.2. Autres types d’appareillage de laboratoire L’appareillage spécifique à la mesure de la pression de gonflement est largement répandu. Par contre, cet œdomètre classique n’offre qu’une déformation unidimensionnelle et le chemin des contraintes suivi pendant l’essai reste inconnu. Une amélioration des essais a consisté à employer des œdomètres équipés de bagues de

mesure de la pression radiale pendant le gonflement Komornik et Zeitlen, 1965, 1970 ; Ofer, 1981 ; Erol et Ergun, 1994) ; cet œdomètre modifié est appelé œdomètre K0 (figure B.4). Dans ce cas, la rigidité de la bague doit être rigoureusement assurée pour éviter toute déformation latérale.

Figure C.4 :Cellule œdométrique modifiée (Komornik et Zeitlen, 1965)

L’étude expérimentale du gonflement en laboratoire s’effectue aussi avec le contrôle de succion (Schreiner et al., 1994) ou de la contrainte latérale et de la succion (Schreiner et al., 1994). L’appareillage triaxial offre quant à lui la possibilité de maîtriser la sollicitation en déformation ou en contrainte. Des études expérimentales du gonflement ont été réalisées à l’aide d’appareillages triaxiaux traditionnels (Parcher et Liu, 1965 ; Kassif et Baker, 1969 ; El Gamali et al., 1991) ou asservis (Fourie, 1989 ; Yesil et al., 1993) (figure B.5.).

Figure C.5 : Appareillage triaxial pour des essais de gonflement (Yesil, 1993)

B.3. Mesure de la succion Pour l'étude des sols non saturés, on soulignera tout de même l'essai au papier filtre (Chandler et al.,1986) basé sur l'hypothèse, qu'à l'équilibre, le potentiel de l'eau d'un échantillon de sol et le potentiel de l'eau d'un papier filtre en contact avec l'échantillon sont les mêmes. L'essai consiste donc à placer un échantillon de sol en contact avec un papier filtre dont on connaît la courbe de rétention. Le apier filtre peut être placé dans le sol à l'état sec ou humide. Généralement, trois couches de papier filtre sont superposées et la mesure est effectuée sur la couche interne. A l'équilibre, moyennant l'hypothèse citée précédemment, la succion du sol est évaluée par la détermination de la teneur en eau du papier filtre et l'utilisation de la courbe adéquate (Chandler et al., 1986). On obtient ainsi la succion du sol dans son état de référence.

B.4. Cas des essais in situ Hors du cadre des essais en laboratoire, il faut signaler les appareillages basés sur l’utilisation d’une sonde pressiométrique, tels que ceux proposés par Ofer (1984) et Flavigny (1991) pour la réalisation d’essais de gonflement in situ. L’appareillage utilisé par Ofer (1984) est un cylindre muni de jauges de contraintes latérales, permettant de mesurer la contrainte horizontale agissant sur son pourtour. Il s’agit en quelque sorte d’un œdomètre “inversé” avec une mesure du coefficient K0 . Deux anneaux circulaires placés au dessus et au dessous de la partie sensible permettent d’humidifier le sol autour de la sonde. L’appareillage est enfoncé dans un trou de forage. Il est complété par des lames de scissomètre afin de mesurer la cohésion non-drainée du terrain. La figure B.5. donne une vue en coupe de cette sonde. A l’origine, la cellule était foncée dans un forge d’un diamètre légèrement inférieur. Les auteurs ont développé, par la suite, une sonde mise en place par autoforage.

Figure C.6 : Appareil de Ofer (1984) et exemple de résultat

Flavigny et al. (1991) ont développé un dispositif pressiométrique dit “Expansol”, conçu pour opérer à faible profondeur dans des conditions habituelles d’essais. Il s’agit de deux sondes pressiométriques superposées reliées chacune à un système de mise en pression (de type générateur de pression asservi) entre lesquelles se trouve un dispositif d’humidification. La sonde supérieure est dévolue aux essais pressiométriques normaux tandis que la sonde inférieure permet de réaliser deux types d’essais pendant l’humidification : - soit un essai de gonflement libre en asservissant la pression dans la sonde à sa valeur initiale, - soit un essai de pression de gonflement en maintenant le volume à sa valeur sous contrainte initiale. On remarque que l’essai est d’une durée très faible et ne donne que la première partie de la courbe obtenue par Ofer.

Figure C.7 : Appareil de Flavigny et al. (1991) et exemple d’un essai de pression de gonflement

1 ANNEXE D : Détermination de la capacité d’échange

cationique 1 - MODE OPERATOIRE DÉTAILLÉ 1.1 Préparation des solutions On peut partir de 5-10 ou 20 g. de sol (tamis 2 mm),

• 5 g. pour une capacité d’échange de plus de 25 mé. pour 100 g de sol, • 10 g. entre 5 et 25 mé. pour 100 g. de sol, • 20 g. pour moins de 10 mé. pour 100 g. de sol,

Ces prises de terre permettent d’éviter les dilutions ultérieures des solutions; les essais ont montré que la précision des dosages devenait moins bonne au delà de 4 mé. par litre de Ca. Pour 10 g. de sol, cela correspond à 40 mé. pour 100 g. de Ca++ mais on peut avoir à retrancher jusqu’à 15 mé. pour 100 g. de Cl-. 2 Technique de percolation sur filtre et entonnoir La terre est placée dans un bécher de 100 ml. 50 ml de CaC12 N (1) sont rajoutés; la suspension est agitée et laissée en contact une nuit. La suspension du sol est trans- vasée sur filtre (entonnoir d = 95 mm; filtre bleu sans cendres 125). Puis CaC12 N est percolé par fractions de 50 ml jusqu’à un volume total de 500 ml. CaC12 N/i0 est ensuite percolé par fractions de 50 ml jusqu’à concurrence de 150 ml.

1 (1) Solution d’extraction – 80 litres de chlorure de calcium N + 1.l 200 de triéthalonamie + 1l 400 d’acide Nitrique concentré (ajuster PH = 7).

TECHNIQUE DE PERCOLATION EN FLACONS PLASTIQUES. (Figure 1, 2,3)

Figure. 4

Les percolats de chlorure de calcium sont jetés. Les filtres sont retirés des entonnoirs avec la terre qu’ils contenaient et placés à nouveau en contact une nuit, dans les béchers de 100 ml, avec 50 ml de N03K N. La suspension est à nouveau versée sur filtre et lessivée par fractions de 50 ml par NO3KN jusqu’à concurrence de il dans une fiole jaugée. C’est sur cette dernière solution que sont effectués les dosages de Ca++ et Cl- Vitesse d’analyse Les extractions sont effectuées par séries de 120 à la fois, CaCl2 N et N/10 doivent être effectuées en une journée. Les extractions au Les extractions par N03K commencées le premier jour sont terminées le second jour. 3 Technique de percolation en flacon plastique Dans la technique sur filtre et entonnoir l’inconvénient est le changement de filtre en cours d’opération et la très grande lenteur de percolation : l’opérateur est sans arrêt occupé. Un système a été imaginé par C. REGAZZI qui permet d’effectuer toutes les opérations d’agitation du sol avec les solutions suivies de filtration, en utilisant un flacon plastique de 250 ml dont le couvercle est percé d’un tube et muni à l’intérieur d’une rondelle de papier filtre placée entre deux rondelles de feutre, le tout serré contre l’ouverture du flacon par un joint circulaire. Un orifice circulaire est percé à mi-hauteur dans la paroi du flacon et sert à l’arri- vée des liquides par un tube plastique cristal relié à une pissette plastique. un autre petit trou permet l’évacuation de l’air. Le sol placé au fond du flacon est agité avec le liquide (qui ne doit pas dépasser la hauteur de l’orifice latéral) puis le flacon est retourné et mis en position de filtration (voir croquis joint). Ce système permet d’alterner agitation et filtration, le chlorure de calcium normal, puis N/50, sont injectés avec des pissettes remplies préalablement, les filtrats sont jetés directement à l’évier par un système de tuyaux. Une pression d’air comprimé est exercée à l’intérieur du flacon pour essorer les liquides, puis le nitrate de potassium normal est injecté à l’aide d’une autre pissette, et le flacon est retourné directement sur la fiole jaugée de 1 000 ml. Pour faciliter la filtration, un peu de pâte de cellulose est mélangée avec le sol. Ce système est propre, rapidr, et nécessite beaucoup moins de travail de la part de l’opérateur. (Figure. 4).

Laboratoire Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur EnvironnementEau et Ouvrages dans Leur Environnement

FACULTÉ DES SCIENCES DE L’INGÉNIEURUNIVERSITÉ ABOUBEKR BELKAID, TLEMCEN

Mémoire de magister

Contribution Contribution àà ll ’é’étude de la stabilisation tude de la stabilisation chimique de quelques argiles gonflantes chimique de quelques argiles gonflantes

de la rde la réégion de Tlemcengion de Tlemcen

Présenté par : AZZOUZ Fatima Zohra

Sous la direction de : BEKKOUCHE.A

DDéépartement de Gpartement de Géénie Civilnie Civil

L’argile est un sol assisse pour un grand nombre de construction certaines familles d’argile présentent la caractéristique être gonflante ou rétractable. Cette caractéristique est largement influençable par la variation de la teneur en eau .A la teneur en eau constante , il n’aura pas ou peu de variation de volume.

INTRODUCTION

PROBLIMATIQUE

C’est un sol qui subit une importante variation de volume lors de la modification de sa teneur en eau.

Distribution mondiale des sols gonflants, LCPC (199 9).

DES DÉSORDRES

Désordres observés

MANIFESTATION DES DÉSORDRES

Concerne surtout lesmaisons individuelles

� Fissuration des structures.�Distorsion des ouvertures� Rupture de canalisations�Décollement des bâtiments annexes Etc…

Désordres observés

Inversion de pente qui provoque de débordement des drains (réseau de drainage), alimentant le phénomène de gonflement.

Les routes sont détruites par:Évaporation de l’eau →retrait des sols → fissuration → infiltration des eaux → gonflement plus en profondeur.

Les monuments historique peuvent être endommagés par le gonflement.

DES DÉSORDRES

La carte géologique

La carte géotechnique

STRUCTURE DES ARGILES

Les argiles sont constituées d’un empilement de feuillets.Un feuillet est constitué d’un arrangement de deux types de couches. Une tétraédrique à base de silice.Une octaédrique à base d’hydroxyde d’aluminium.Les arrangement de ces deux types de couches définissent les catégories principales des minéraux argileux.

CARACTÉRISTIQUES DES DIFFÉRENTES ARGILES

Gonflement interparticulaire

Gonflement inter foliaire

TYPE DE GONFLEMENT

IDENTIFICATION DES SOLS ÉTUDIÉS

Notre étude a été effectuée sur deux argiles, � la première est une argile naturelle intacte extraite du site de Mansourah ( de la ville de Tlemcen) . Ces échantillons sont prélèves a différentes profondeurs pour des différentes sondages .� la deuxième est une Bentonite de Maghnia (Située à 60 km à l’Ouest de Tlemcen). Ces deux argiles ont fait l’objet de recherches antérieures au laboratoire de mécanique des sols de l’Université.

La présente étude comporte deux volets :

�Le second a pour objet de stabilisation des argiles gonflantes par l’utilisation des sels.

� Le premier est relatif aux essais recommandes par l’identification des sols gonflants(essais simples) et réalisation des essais de gonflement par la méthode A selon la norme ASTM.

OBJECTIFS DU TRAVAIL

Tableau : Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés

CINÉTIQUE DU GONFLEMENT

VOYSANADE

G :est le taux de gonflement maximal pour un temps infini etB : est le temps du demi gonflement.

CELLULE

OEDOMETRIQUE

EVOLUTION DU GONFLEMENT EN FONCTION DU TEMPS

MESURE DIRECTE DU PARAMÈTRES DU GONFLEMENT NORME ASTM

(MÉTHODE A D 4546)

COMMENT NOUS AVONS CONSTRUIRE SANS DANGER SUR CE GENRE DE

FORMATION ?Soit

1. À concevoir un ouvrage dont ’infrastructure résiste aux mouvements du sol.

2. Traiter ce sol pour que ce dernier soit moins sensible à la variation de la teneur en eau, c’est ce qu’on entend par la stabilisation .

BUT DE STABILISATION

Le traitement des sols est souvent opéré:

�pour augmenter leur résistance,

�pour réduire ou augmenter leur perméabilité.

�Il est, aussi utilisé pour minimiser la sensibilité du sol aux variations de la teneur en eau comme dans le cas des sols expansifs.

LES DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE STABILISATION

Les techniques de stabilisation les plus utilisées sont :

�La stabilisation mécanique.�La stabilisation thermique.�La stabilisation par ajout des matériaux.�La stabilisation chimique:

�STABILISATION PAR CIMENT.�STABILISATION PAR LA CHAUX.�STABILISATION PAR SEL.

STABILISATION PAR LES SELS

1. La capacité d’échange cationique

Les argiles présentent des propriétés d’échange, elles peuvent fixer tous les cations, exemple :

Na argile + CaCl2 Ca Argile + NaCl

Cependant il existe un certain ordre d’affinité lié à la fois à la taille des ions et à la nature des cations.

Comment les sels réduisent- ils le gonflements des argiles ?

L’efficacité d’un sel peut être analysée par deux approximations:

Al3+> Ca2+> Mg2+> K+>H+ > Na+ < Li+

Épaisseur de la double couche diffuse

Selon Komine et Ogata , Le gonflement est souvent liée à l’augmentation de la double couche diffuse

2. Modèle de la double couche

Épaisseur de la double couche diffuse en présence du sel

Modèle de la double couche

ACTION DE DIFFÉRENTS TYPES DES SELS SUR LA LIMITE D’ATTERBERG

Argile de Mansourah Argile de Mansourah

Argile de Maghnia Argile de Maghnia

Tableau : Caractéristiques d’identification des matériaux étudiés en présence des solutions saline pour l argile de Maghnia

EVOLUTION DU GONFLEMENT EN FONCTION DU TEMPS DU SEL

Argile compacter de Maghnia en présence du KCL Argile compacter de Maghnia

en présence du NACL

Argile compacter de Maghniaen présence du NH4CL

Argile compacter de Maghnia en présence du MgCl2


Argile compacter de Maghnia en présence du CaCl2

Argile compacter de Maghniaen présence du AlCl3

Argile compacter de Mansourah présence du CaCl2

Argile compacter de Mansourah en présence du NACL


Tableau: Des paramètres de la cinétique de gonflement en présence de différentes solutions salines a plusieurs concentrations


INFLUENCE DE LA CONCENTRATION

DU SEL

INFLUENCE DE LA VALENCE DES CATIONS

La valence est probablement le facteur déterminant dans la capacité d’échange ou de remplacement des cations plus élevé qui peuvent remplacer facilement les cations de valeurs plus faibles. Par ordre de capacité de remplacement croissante, les ions se classent comme suit :

Selon cete classification, la taille deDDL diminue

Li+<Na+< H+<NH4+< K+<< Mg2+<Ca2+<<Al3+

INFLUENCE DE LA VALENCE DES CATIONS

ACTION DES DIFFÉRENTS TYPES DE SELS SUR LE TAUX DE GONFLEMENT.

Conclusion

Ce sont les conséquences néfastes du gonflement des sols sur les ouvrages en surfaces et ensouterrains qui ont incité les recherches et les ingénieurs à penser à des remèdes et des solutions

aux causes des dégâts engendrés par ce phénomène.Cette étude s’inscrit dans le cadre de la stabilisation de deux argiles gonflants de la région de

Tlemcen (Mansourah, Maghnia), mise en contact avec des solutions aqueuses. L’intérêt a étéparticulièrement porté pour objectifs :

Mesure les amplitudes et les pressions du gonflement d’une région.Trouver des solutions pratiques de stabilisation du phénomène du gonflement.En première lieu, une étude bibliographique réalisée dans ce mémoire a mis en relief l’importance et les conséquences du gonflement sur la stabilité et le comportement des ouvrages creusés dans les matériaux argileux.Il a également permis de mettre en évidence de la complexité de ce phénomène surtout a l’échelle microscopique en raison des nombreux mécanismes impliques (adsorption, osmose, capillarité).ces mécanisme ont été décrit et présentés d’un point de vue théorique et les approches de modélisation.

Conclusion

• Toute la difficulté résidée dans la définition des paramètres sensés présentée le phénomène du gonflement et par la suite caractériser les sols gonflants. Il est note que l influence de l’état initiale du sol est très importante sur le gonflement, de ce fait les paramètres obtenus dépendent essentiellement de la densité sèche, la teneur en eau initiale et d’autres paramètres extérieurs tel que l effet cyclique (humidification /dessiccation).

•Par ailleurs, une étude de la cinétique du gonflement présenté par quelques résultats a trouvé par divers chercheurs. D après les observations et les suivi tentativement l’évolution du gonflement en fonction du temps, nous avons remarqué selon la forme des courbes trois phases principales (inter vide, primaire et secondaire).Aussi nous avons pu déterminer grâce à une régression linéaire les deux paramètres caractérisant la cinétique du gonflement à partir de l’expression de Voysanade. Cette approche est intéressante dans le sens ou elle nous permit de définir l’amplitude de gonflement finale et son demi temps de gonflement.La stabilisation des sols argileux a été étudie par un grand nombre des chercher. Beaucoup des méthodes et d’appareillages ont été mis au point, pour avoir des solutions qui minimisent le phénomène de gonflement.

ConclusionPour reconnaître et identifier un sol argileux plusieurs études doivent être faites, une étude

géotechnique et chimique pour déterminer les paramètre physiques suivie de mesures directes de paramètres mécanique (amplitude de gonflement et pression de gonflement) basée sur des méthodes oedométriques.

L’étude expérimentale a consisté tout d’abord à la détermination des paramètres géotechniques et mécaniques des sols provenant des, ensuite une étude Sites Mansourat et Maghnia de la région de Tlemcen

Enfin une étude qui porte sur l’effet de différents sels à différentes concentrations sur les paramètres mécaniques, afin d’en déduire une méthode pratique de stabilisation du gonflement et de sa pression.

Sur la base des résultats obtenus sur nos argiles et à la lumière des interprétations de ces résultats, plusieurs conclusions ont été faites :

La densité sèche affecte sensiblement le gonflement et la pression de gonflement, tant que la densité sèche augmente le gonflement et sa pression augmentent ceci est expliqué par le faite que le matériau le plus dense exhibera un gonflement et une pression de gonflement plus grands car il

contient un nombre supérieur de particules argileuses.Le gonflement est inversement proportionnelle à la teneur en eau initiale, quand celle ci

augmente, le gonflement diminue, à partir de ces seuls essais il est difficile de trouver une loi de variation du gonflement, cependant il a été possible de déterminer une teneur en eau critique qui donnerait un gonflement apparent nul.

L’action des diverses solutions salines sur le gonflement nous a conduit à retenir les conclusions suivantes:Influence des solutions salines et leurs concentrations, leur valences et tailles sur l’amplitude de gonflement a effet très prononcé. Mais l’effet de la valence est probablement le facteur déterminant dans la capacité d’échange ou de remplacement des cations plus élevé peuvent remplacer facilement les cations de valeurs plus faibles. Dans le cas des ions de même valence, la taille de l’ion hydratérevêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité de remplacement est grande. Mais nous avons trouvé le contraire pour le chlorure d’Aluminium. Ceci n’a pas donné une réduction du gonflement, mais sauf dans le cas ou la concentration est forte Le chlorure de calcium et le chlorure de Magnésium sont plus efficaces à fortes ou fortes concentrations Le chlorure de potassium réduit le gonflement des sols étudiés grâce à la fixation de ces cations entre les feuillets, le gonflement diminue et sa vitesse est rapide même à faibles concentrations.

Le chlorure de sodium réduit lui aussi le gonflement mais à un degré faible, ne il à surtout l’avantage d’être le moins coûteux.Le chlorure d’ammonium est moyennement réduit la gonflement ou la concentration est forte.L’effet des solutions salines et leurs concentrations sur la pression de gonflement n’a rien révélé, cependant il serait préférable d’étudier leurs effet en utilisant d’autres méthodes pour pouvoir classer ces solutions suivant leurs degré d’inhibition.L’application de la technique de stabilisation des sols gonflants par les sels à des ouvrages réels doit être envisagé notamment dans le cas où les essais au laboratoire ne mettent pas en évidence de façon claire l’obtention d’un équilibre, il n’est pas impossible alors que le gonflement des matériaux traités puisse rejoindre celui des matériaux non traités.Il ressort néanmoins des essais réalisés qu’il est indispensable d’effectuer une étude spécifique détaillée si possible dans les conditions du sites avant chaque cas de traitement envisagé afin de définir la nature et la concentration des solutions salines à utiliser sur un site.Par ailleurs la possibilité de lixivation des sels à long termes par les eaux de pluie ne peut être écarté pour cela il est conseillé d’étudier le phénomène d’irréversibilité en analysant les échantillons stabilisés et mis au contact de l’eau au microscope à balayage électronique M.E.B ; l’utilisation de surfactants permet également un traitement efficace des sols argileux [16]. Cite par boukokba.

Recommandations

Les recherches doivent se poursuivre notamment :L’établissement d’un appareillage pour mesurer la pression de gonflement, notamment un appareillage qui permet le contrôle de la pression interstitielle et le degré de saturation de l’échantillon au cours de l’essai. L’établissement des modèles de prédiction de la pression de gonflement pour les argiles de la région de Tlemcen.La réalisation des mesures sur le site, sur plusieurs années, afin de vérifier les modèles.L’établissement d’un code réglementaire pour la conception des fondations de sols gonflants.L’établissement d’une carte de localisation des régions Algériennes susceptibles d’être affectées par les dommages résultant des sols gonflants.

Merci de votre

attention

INTRODUCTION …………………………………………………………………..……01

CHAPITRE I : AUTOUR DU PHENOMENE DU GONFLEMENT

1 Introduction…………………………………………………………………………………04

2 Impact du gonflement sur les ouvrages en géotechnique………………..………………....05

2.1 Ouvrages superficiels…………………………...……………………………………..05

2 2 Ouvrages souterrains…………………………………………………………..………06

2.2.1 Tunnels……………………………………………………………………..…….06

2.2.2 puits pétroliers……………………………………………………………..……..06

2.2.3 Cavités de stockage des déchets radioactifs………...…………………...……….07

2.2.4 Monuments historiques………………………………………………...……..…..08

3 Les argiles………………………………………………………………………..…...…….08

3.1. Structure cristalline du feuillet élémentaire…………………………………………...09

3.2 Les principales caractéristiques des minéraux argileux…………………………….…11

3.2.1 La densité de charge spécifique………………………………………...…….…..11

3.2.2 La capacité d’échange cationique (CEC)………………………………..…….....11

3.2.3 La surface spécifique…………………………………………………...………...12

3.3 texture des argiles……………………………………………………………………...12

3.4. cations échangeables………………………………………………………………….14

3.5. gonflement interfoliaire et interparticulaire…………………………………………..14

4 Différents types d’eau…………………………………………………………..…………..14

4.1. L’eau libre……………………………………...……………………………………..14

4.2. L’eau liée……………………………………………………...………………………14

4.3. L’eau cristalline………………………………………...………………………..……14

5 Interaction entre argiles (smectites) et cations alcalins……………………………….…….15

5.1 Influence de la nature des cations alcalins………………………………………….....15

5.1.1 Sur la force de l’interaction avec la surface………………………………...…....15

5.1.2 Sur la sélectivité de l’échange……………………………...………………...…..16

5.1.3 Les facteurs régissant le mode d’interaction des ions avec la surface de l’argile………………………………………………………………………………..…16

6. Interactions entre les feuillets en milieu aqueux...................................................................16

6 Principales causes du gonflement………………….…………………………………….…19

6.1 Hydratation par adsorption……………………...……………………………………..19

5

6.1.1 Forces d’attractions……………………………………………………...………..19

6.1.2 Forces de répulsion…………………………………………………………...…..19

6.2 Hydratation par osmose…………………………………………………………..……20

6.3 Hydratation par capillarite……………………………………………………………..21

6.4. Transformations chimiques…………………………………………………….……..20

6.4.1 L’oxydation de la pyrite (FeS2)………………………………………...………...23

6.4.2 La dissolution des carbonates dans l’eau…………………………………...…….23

7. Facteurs affectant le gonflement………………………………………………...…………23

7.1. Facteurs intrinsèques……………………………………………………………...…..24

7.1.1 Influence Compositions minéralogiques……………………………..…………..24

7.1.2 Influence du type de cations compensateur………………………...…………….24

7.1.3 Influence de la Capacité d’échange en cations (CEC)……………..…………….24

7.1.4 Influence Surface spécifique………………………………………..……………25

7.1.5 Influence de la structure du sol………………………………………...…………26

7.1.6 Influence la quantité de minéraux non argileux…………...…………………..…26

7.2. Facteurs externes……………………………………..……………………………….26

7.2.1 Conditions de compactage (statique ou dynamique)…………..…………………26

7.2.2 Influence de l’énergie de compactage…………………………………………....27

7.2.3 Influence de la teneur en eau initiale………………………………………...…...27

7.2.4 Influence de la densité sèche……………………………………………………..28

7.2.5 Influence de l’effet d’échelle………………………………………………...…...30

7.2.6 Influence du régime de contraintes……………………………………………….30

7.2.7 Influence du frottement latéral………………………………………..………….31

7.2.8 Influence de la température………………………………………………..……..32

7.2.9 Influence des Cycles retrait gonflement……………………………...…………..32

7.2.9 Influence de la durée des essais……………………………………...…………...34

7.2.10 Influence de l’épaisseur…………………………………………...…………….35

8 Anisotropie du gonflement et anisotropie de la pression de gonflement……………………………………………………………………...…………….36

3. Conclusion……………………………………………………………………………...….36

CHAPITRE 02 : APPROCHES THEORIQUES DE GONFLEMENT

1 Introduction…………………………………………………………………………………39

2 Approche du double couche………………………………………………………………...40

2.1. Double couche électrique…………………………………………………………......40

6

2.1.1 Modèle de gouy-chapman…………………………………………..……………40

2.1.2 Modèle de Stern……………………………………………………...…………...40

2.1.3 Modèle triple couche…………………………………………………..…………41

2.2 Potentiel zéta………………………………………………………………………..…42

2.3 Influence des différents paramètres sur le gonflement………….……………...……...43

2.4 Forces électrostatiques……………………………………………………...…………44

2.4.1 Force de répulsion……………………………………………………………..…44

2.4.2 Force d’attraction………………………………………………...……………….45

2.4.3 Force d’hydratation………………………………………………………...……..45

2.5 Passage micro-macro………………………………………………………………….….45

3. Approches phénoménologiques……………………………………………………………46

3.1 Modèles en contraintes effectives……..…………………………………………..…..46

3.2 Modèle d’Alonso et gens………………………………………………………………50

4 Approches basées sur des modèles de gonflemen………………………………….………51

4.1 Modèles indépendants du temps……………………………………………...……….52

4.1.1 Modèles unidirectionnels………………...……………………………………….52

4.1.2 Modèles tridirectionnels……………………………………………..…………...52

4.2 Modèles dépendants du temps………………………………………...……….………53

4.2.1 Modèles unidirectionnels……………………………………………...………….53

4.2.2 Modèles tridirectionnels……………………………………………..…………...54

4.3 Modèles bases sur l’humidité relative ou l’activité……………………………………57

5. les modèles de l'adsorption…………………………………………………………….…..58

5.1 Les modèles de complexation de surface……………………………...………………58

5.1.1. Complexes de sphère interne et externe……………………………………....…58

5.1.2 Les différents mécanismes d'adsorption……………………………………...…..59

5.1.3 Sélectivité de l'adsorption………………...………………………………………60

6. Théorie des échangeurs d'ions……………………………………………………………...60

6.1 Définition d'un échangeur d'ion………………………………………………………..60

6.2. Capacité d'échange……………………………………………...…………………….61

6.2.1. Calculs de constantes…………………………………………………...………..61

6.2.2. Influence du Ph…………………………………………………………...……...61

7. Conclusion…………………………………………………………………………………62

CHAPITRE 03: STABILISATION DES SOLS ARGILEUX

7

1 Introduction…………………………………………………………………………………63

2. Diverses solutions utilisées comme stabilisateur d’un sol argileux………………………..64

2.1 stabilisation par ajout de la chaux………………………………...…………….……..64

2.1 1 Action immédiate………………………………………………….……………..64

2. 2 Stabilisation par ajout du ciment…………………………………………...…………70

2. 3 Stabilisation par ajout des cendres volantes………………………………...………...70

2.4 Stabilisation par ajout des mélanges (ciment+cendres volantes ou chaux +cendres volantes ou ciment+ chaux)………………………………………………………….……….72

2. 5 Stabilisation par ajout de sable…………………………………………………...…...72

2. 6 Stabilisation par solutions salines……………………………………...………...…...74

3 Autres techniques de stabilisation…………………...………………………………...……80

3 1 Drainage…………………………………………………………………..……...……80

3 2 Substitution………………………………………………………………………..…...80

3 3 Application de fortes pressions………………………………………………..…...….80

3 4 Compactage……………………………………………………………...………..…...80

3 5 Préhumidication…………………………………………...…………………......……81

3 6 Traitement thermique…………………………………………………………….……81

3 7 Utilisation de fondations et d’édifices spéciaux……………………………......……...81

6 Conclusion……………………………………………………………………...…………..81

CHAPITRE 04: IDENTIFICATION PHYSICO- CHIMIQUE ET ES SAIS MECANIQUES POUR LES ARGILES ETUDIES

1. Introduction………………………………………………………………………………...84

2. Situation géologique……………………………………………………………………….84

2.1 Argile de Mansourah…………………………………………………...……………...84

2.2 Argile de Hammam Boughrara………………………………………….…….....…....85

2.3 Argile de Imama………………………………………………………………...……..85

3. Essais d’identifications…………………………………………………………………….86

3 1 Analyse granulométrique………………………………………………………...……86

3.2. Limites d'Atterberg……………………………… ;………………………...………..87

3.2.1. Action de différents types des sels sur la limite d’Atterberg…………...…...….91

4.2.2. Résultat de l’effet des sels sur les limites d’Atterberg…………...………..…….92

3.3. Essai au bleu de méthylène……………………………………………………...……96

8

3.3.1 Surface spécifique totale s.s.t…………………………………………...……..…97

3.4. Teneur en carbonate de calcium……………………………………………….…...…97

4. Mesure indirecte de potentiel de gonflement………………………………………………98

5. Models de prévision de gonflement………………………………………………………..99

6. Essais mécaniques………………………………………………………………………...101

6.1. Essai proctor…………………………………………………………………...…….101

6.2. essai de compressibilité a oedometrique…………………………………………….103

.Détermination de la capacité d’échange cationique………………………………………...106

7.1 Principe de la méthode……………………………………………………...………..106

Conclusion…………………………………………………………………………………..107

CHAPITRE 05 : CINETIQUE DU GONFLEMENT

1 Introduction………………………………………………………………………………..109

2 Résultats de l’évolution du gonflement en fonction du temps a l’état naturel…………….112

3. Résultas de l’évolution du gonflement avec des solutions salines………………………..116

4 Modélisation de la cinétique………………………………………………………………127

4.1. Résultats de la cinétique du gonflement a état naturel………………………...…….129

4.2. Résultats de la cinétique du gonflement en présence des solutions salines...……….133

5 Conclusion…………………………………………………………………………...……144

CHAPITRE 06 : SABILISATION DU GONFLEMENT PAR LES SE LS.

1 Introduction……………………………………………………………………………….145

2 Gonflement et échange ionique……………………………………………………………145

2.1 Rappel sur les échanges ioniques………………………………...…….….…......…..145

2.2 Coefficients d'activité des solutions salines…………………………………….........147

3. Mesure du gonflement et de la pression de gonflement a l’oedometre…………………..147

3.1. La méthode d’Huder et Amberg………..……………...………………...……....…..147

3.2. La méthode de gonflement a volume constant………………………………...……147

3.3. La méthode de gonflement ou tassement sous charge constante…………….…..….148

3.4. La méthode de gonflement libre…………………………………………….…...…..148

3.5. Gonflement selon la norme ASTM d-4546-90 – méthode A-…………...………….148

3.6. Méthode LCPC avec variation de volume………………………………………….148

4. Procédure expérimentale………………………………………………………………….149

4.1. Résultats de la mesure du gonflement et de la pression de gonflement a l’oedometre. ……………………………………………………………………………………………….149

9

5. Stabilisation du gonflement par les sels…………………………………………………..154

6. Résultats obtenus………………………………………………………………………….155

6.1. Action des différents types de sels sur le taux de gonflement……………………….155

6.1.1 Action chlorure de sodium………………………………...………………..…..155

6.1.2 Action chlorure potassium……………………………………………...……….156

6.1.3 Action chlorure d’ammonium……………………………...…………..……….157

6.1.4 Action chlorure calcium……………………………………..………………….158

6.1.5 Action chlorure magnésium………………………………………...…………...159

6.1.6 Action chlorure d’aluminium…………………………………………..……….160

6.2 Influence de la valence des cations…………………………………………...……...161

6.3 Influence de la concentration des sels sur le gonflement……………………..……...163

6.4. Synthèse des résultats…………………………………………………………...…...165

6.5. Action des sels sur la pression de gonflement……………………………………….166

7. Conclusion ……………………………………………………………………………….176

CONCLUSION GENERALE ………………………………………………………….177

BIBLIOGRAPHIE PRINCIPALE

BIBLIOGRAPHIE SUPPLEMENTAIRE

ANNEXES

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