Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008 EFFETS DE COMPOSES CHIMIQUES SUR LE TRAITEMENT DES SOLS A LA CHAUX ET/OU AU LIANT HYDRAULIQUE EFFECTS OF DELETERIOUS CHEMICAL COMPOUNDS ON SOIL STABILISATION

Tangi LE BORGNE1,2, Olivier CUISINIER1, Dimitri DENEELE1, Farimah MASROURI2 1 Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Nantes, France 2 Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages, Nancy-Université, France

RÉSUMÉ –Cette étude cherche à déterminer si certains composés chimiques employés à des concentrations rencontrées dans certains sols français peuvent être considérés comme perturbateurs de prise lors du traitement des sols. Les résultats montrent que certains composés peuvent diminuer l’efficacité d’un traitement mais sans rendre le sol inapte au traitement. L’effet de chaque composé dépend à la fois de sa concentration mais aussi du type de liant.

ABSTRACT – A study was undertaken in order to determine the potential detrimental effect of several chemical compounds on soil stabilisation. The results showed that these compounds can alter the efficiency of a soil treatment, the remaining usable for earth-works. It appeared that the effect of each chemical compound is a function of the soil na-ture, the type of binder and of the chemical compound concentration.

1. Introduction

L’évolution actuelle du contexte socio-économique dans le domaine des ouvrages en terre (terrassements) est marquée par la nécessité de réutiliser au maximum les maté-riaux situés dans l’emprise des projets, même ceux dont les caractéristiques de mise en œuvre, notamment mécaniques, sont très faibles. Il est cependant possible d’améliorer ces matériaux par un traitement à la chaux et/ou au liant hydraulique. Dans certains cas, ce type de traitement est inefficace en raison de la présence dans le sol d’éléments per-turbateurs. Cependant, il existe très peu d'études sur les composés chimiques suscepti-bles de nuire au traitement des sols, de nombreux éléments étant pourtant mentionnés comme perturbateurs dans le guide pour le traitement des sols (LCPC-SETRA, 2000). Ce sont surtout des anions tels que les sulfates, les phosphates, les chlorures ou encore les nitrates, bien que leurs effets n’ont pas fait l’objet d’étude systématique. Dans la litté-rature, il existe surtout des études montrant que les sulfates ont une action négative sur les sols traités (Mitchell 1986, Hunter 1988, Wild 1999). En dehors d’une identification précise de ces perturbateurs, il convient d’aborder la notion de seuil ou niveau de concentration à partir duquel le soufre peut avoir un impact significatif sur le traitement. Sherwood (1962) note que la résistance à la compression simple n’est pas affectée par la présence, dans un sable, de sulfate (concentrations comprises entre 0,25% et 3 %), alors que dans un sol contenant des particules argileuses, une faible concentration en sulfate (0,2%) peut entraîner une baisse des résistances de l’ordre de 50%. Guichard (2006) a évalué, en outre, l'impact des nitrates et des chlorures sur la stabilisation des sols, et a montré que les nitrates et les chlorures n’avaient pas d’effet significatif sur le comportement du sol traité. Enfin, la plupart des travaux existants sur les perturbateurs de prise ont été réalisés sur des sols naturels. Cependant, un sol naturel peut contenir plusieurs éléments perturbateurs. Travailler sur un tel sol cause des difficultés pour faire ressortir l’action d'un élément particulier, et donc de déterminer les causes exactes de la

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008 perturbation (Cabane et al. 2005). Dans ce contexte, cette étude a pour buts d’identifier de manière objective les éléments perturbateurs de la prise et leur seuil d’influence. Pour se faire, une procédure originale, transposée d’études écotoxicologiques a été mise en œuvre. Plutôt qu’utiliser un sol contenant les éléments perturbateurs, un sol naturel apte au traitement a été mélangé avec un seul composé chimique à la fois à une concentra-tion donnée. L’impact de cet ajout en termes de performance mécanique puis d’aptitude au traitement a été évalué. Nous avons ainsi étudié les effets, sur sol limoneux, de quatre composés chimiques souvent rencontrés dans les sols : le sulfate de calcium, le chlorure de sodium, le phosphate de potassium et le nitrate d'ammonium.

2. Caractéristiques du sol, des perturbateurs et des liants employés

Le sol sélectionné pour cette étude est un limon prélevé à Magny le Hongre (Est de Paris). Les analyses chimiques ont confirmé que le sol ne contient aucun composé chi-mique supposé perturbateur. Ce sol est classé A2 selon le guide des terrassements rou-tiers avec un indice de plasticité de 15,7 %. Les caractéristiques de compactage ont été déterminées par l’essai Proctor Normal, avec une teneur en eau optimale de 15,5 % pour une masse volumique sèche de 1,80 Mg.m-3. Pour les perturbateurs, il est important que les concentrations retenues soient représentatives de concentrations rencontrées natu-rellement dans les sols. Elles ont été sélectionnées à l’aide des bases de données de l’Institut National de Recherche en Agriculture sur la composition des sols en France (Tableau 2). Deux concentrations ont été choisies pour chaque élément : la première correspond à la valeur moyenne retrouvée dans les sols français, la seconde, correspond à une valeur élevée retrouvée dans certains sols français. Le traitement le plus souvent usité pour utiliser les limons en couche de forme est un traitement mixte à la chaux et au liant hydraulique. Le dosage choisi pour l’étude, classique pour ce type de limon, est de 1,5 % de chaux vive et 6 % de liant hydraulique. La chaux vive utilisée possède un taux de chaux libre très important (91 %). Deux liants hydrauliques ont été considérés. Pour minimiser l’interaction entre les composés chimiques ajoutés et les constituants se-condaires, les deux liants possèdent peu de ces derniers. Le premier liant est un ciment à base de clinker (CEM I 52,5 N), il contient plus de 95 % de clinker. Le deuxième liant (CEM II 32,5 R) contient moins de clinker (70 %) et un filler calcaire comme constituant secondaire.

3. Procédure pour ajouter les composés chimiques au sol

La procédure mise en œuvre pour mélanger le composé chimique avec le sol provient de pratiques écotoxicologiques. Cette procédure favorise une répartition homogène du composé chimique dans le sol, et son utilisation est répandue pour évaluer les effets né-fastes de contaminants contenus dans le sol sur des espèces animales ou végétales (Ribera 1999). La mise en œuvre de cette procédure dans le cadre de cette étude induit cinq étapes de préparation :

1. le composé chimique sélectionné est dissout dans de l’eau distillée ; 2. la solution et le sol sont mélangés grâce à un malaxeur à couteaux ; 3. une période de quinze jours est requise pour atteindre l’équilibre ; 4. le sol est re-mélangé et la teneur en eau du mélange est déterminée ; 5. le sol est humidifié à la teneur en eau voulue pour la compaction.

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008 4. Essais mécaniques mis en œuvre

Les guides techniques français pour le traitement des sols recommandent plusieurs

essais afin de déterminer l’aptitude ou non d’un sol vis-à-vis d’un traitement à la chaux et/ou au liant hydraulique. Deux de ces essais ont été retenus pour cette étude : le test d’aptitude au traitement et la résistance à la compression simple.

Quel que soit l’essai considéré ou la nature du perturbateur, toutes les éprouvettes de sol ont été confectionnées par compactage statique avec un objectif de 98,5 % de la densité obtenue à l’optimum Proctor Normal. Les références de compactage de tous les échantillons ont donc été une masse volumique sèche maximale de 1,64 Mg.m-3 avec une teneur en eau optimale de 20 %.

4.1. Test d’aptitude

Cet essai consiste à accélérer la prise hydraulique grâce à une immersion des échan-

tillons dans un bain à 40°C durant 7 jours. On mesure ensuite le gonflement volumique et la résistance à la traction sur ces échantillons de Ø 50 mm et 50 mm de hauteur (NF P 94-100). Les critères d’aptitude sont donnés dans le Tableau 3.

Tableau 1. Critères pour déterminer l’aptitude d’un sol au traitement (LCPC-SETRA,

2000) Gonflement volumique Gv

(%) Résistance par fendage Rtb

(MPa) Aptitude au traite-

ment ≤ 5 ≥ 0,2 Apte

5 ≤ Gv ≤ 10 0,1 ≤ Gv ≤ 0,2 Douteux ≥ 10 ≤ 0,1 Inapte

4.2. Résistance à la compression simple

La résistance à la compression simple est mesurée sur les échantillons cylindriques

de 50 mm de diamètre et 100 mm de hauteur. Les échantillons sont conservés de deux manières différentes après compactage. Certains échantillons sont gardés à teneur en eau constante à 20°C. Dans ce cas, les résistances à la compression simple sont déter-minées à différents temps de cure (3 h, 1, 7, 28, 60, et 90 jours). Ces essais permettent d’évaluer l’impact éventuel de chaque composé chimique sur la prise. D’autres échantil-lons sont conservés à teneur en eau constante à 20°C pendant 28 jours, puis immergés dans un bain thermostaté à 20°C pendant 32 jours. À l’issue de la période de conserva-tion, la résistance à la compression simple est déterminée (NF P 94-077). Lorsque cet essai est utilisé, le critère d’évaluation de l’aptitude du sol au traitement est le rapport (Ri) entre la résistance à la compression simple mesurée sur les échantillons immergés et celle mesurée sur les échantillons non immergés à 60 jours de cure. Ce rapport doit être supérieur à 0,6 pour valider l’aptitude (LCPC-SETRA, 2000).

5. Résultats expérimentaux 5.1. Limon sans ajout

Les valeurs moyennes obtenues lors de l’essai d’aptitude pour le limon sans ajout sont

données dans le Tableau 4. Le gonflement volumique est limité pour les deux traite-ments : 0,6 % avec le CEM I et 0,5 % avec le CEM II. Les mesures de résistance à la compression simple pour les deux traitements pour le limon non perturbé sont données

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008

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dans la figure 1. La résistance à la compression simple est plus faible dans le cas du trai-tement au CEM II. L’écart type pour les mesures de résistance à la compression simple à 28 jours a été déterminé à 0,3 MPa.

Tableau 2. Résultats de l’essai d’aptitude pour le limon sans ajout

Liants hydrauliques Gonflement volumique Gv (%)

Résistance par fendage Rtb (MPa)

CEM I 0,6 0,511 CEM II 0,5 0,439

5.2. Limon mélangé avec du sulfate (sulfate de calcium, CaSO4, 2H20)

Les concentrations et les résultats de l’essai d’aptitude pour le mélange limon + sulfate

sont donnés dans le Tableau 5. Les caractéristiques du sol ne sont pas significativement modifiées pour la faible concentration en sulfates. En revanche, l’ajout de sulfate à forte concentration entraîne une augmentation du gonflement volumique. L’influence du type de liant sur le résultat apparaît aussi clairement. Dans le cas du traitement au CEM II, le gonflement volumique important rend le sol inapte au traitement. Cependant dans le cas du CEM I, bien que le gonflement volumique soit plus important que dans le cas du limon seul le mélange reste apte au traitement. On remarque qu’il n’y a aucune influence signi-ficative du sulfate sur la résistance à la compression simple du limon dans le cas d’un traitement au CEM I (figure 1). Dans le cas du traitement au CEM II, la résistance à la compression simple du mélange du limon et du sulfate à dosage important est plus faible que pour le limon pur traité au CEM II.

Tableau 3. Résultats de l’essai d’aptitude pour le mélange limon + sulfate

Liants hy-drauliques

Concentration de sulfate

(g/masse sèche)

Gonflement vo-lumique Gv (%)

Résistance par fendage Rtb

(MPa)

Aptitude au traitement

0,52 0,674 0,46 0,546 0,62 0,49 0,602

apte

3,55 0,550 3,63 0,721

CEM I

6,2 3,13 -

apte

0,26 0,566 0,27 0,594 0,62 0,41 0,437

apte

18,88 0,377 11,92 0,316

CEM II

6,2 13,56 0,364

inapte

Les rapports Ri sont satisfaisants pour le traitement au CEM I (faible / fort dosage :

0,86 /: 0,82). Le gonflement volumique est faible pour le mélange à faible teneur (0,11%) alors qu’il est plus important pour le mélange à plus forte teneur (1,52%). Les rapports Ri sont également satisfaisants quand le CEM II est utilisé (faible / fort dosage : 0,86 / 0,93). Comme pour le traitement au CEM I, le gonflement volumique est faible pour le faible dosage en sulfate (0,19%), et plus important quand le dosage en sulfate est fort (2,11%). Pour les dosages en sulfate choisis pour l’étude, on remarque que le sulfate n’a pas for-

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008 cement un effet délétère sur le traitement. L’impact du sulfate dépend de sa concentra-tion dans le sol mais aussi du liant employé.

.

0 20 40 60 80 10

1

2

3

4

5

6

7

8

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

00

1.5 % CaO + 6 % CEM I

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM I faible [sulphate] forte [sulphate]

1.5 % CaO + 6 % CEM II

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM II faible [sulphate] forte [sulphate]

Figure 1. Résistance à la compression simple du mélange limon + sulfate 5.3. Limon mélangé avec du nitrate (nitrate d’ammonium, NH4NO3)

Tableau 4. Résultats de l’essai d’aptitude pour le mélange limon + nitrate

Liants hy-drauliques concentration Gonflement vo-

lumique Gv (%)

Résistance par fendage Rtb

(MPa)

Aptitude au traitement

0,12 0,514 0,29 0,483 0,16 0,27 0,480

Apte

0,25 0,597 0,57 0,560

CEM I

1,5 0,28 0,582

Apte

0,22 0,590 0,30 0,517 0,16 0,34 0,406

Apte

0,31 0,496 0,19 0,483

CEM II

1,5 0,28 0,318

Apte

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

81.5 % CaO + 6 % CEM I

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM I faible [nitrate] forte [nitrate]

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

81.5 % CaO + 6 % CEM II

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM II faible [nitrate] forte [nitrate]

Figure 2. Résistance à la compression simple du mélange limon + nitrate

La présence de nitrate dans le limon n’altère pas significativement les résultats de

l’essai d’aptitude au traitement du limon (tableau 6). Les gonflements volumiques sont voisins de ceux obtenus sur le limon seul. Les résultats de résistance à la compression

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008 simple sont donnés dans la figure 2. Pour les deux traitements, les résultats obtenus sur le mélange limon et nitrate à dosage fort sont légèrement plus faibles que pour le limon pur. Les rapports Ri sont satisfaisants pour le traitement au CEM I (faible dosage : 0,87). Les rapports Ri sont également satisfaisants pour le traitement au CEM II (faible dosage : 0,71 ; fort dosage : 0,71). Les gonflements volumiques sont faibles pour les deux traite-ments. Les nitrates diminuent légèrement les caractéristiques mécaniques des sols trai-tés quand la teneur en cet élément est forte.

5.4. Limon mélangé avec du phosphate (phosphate de potassium, KPO4)

Tableau 5. Résultats de l’essai d’aptitude pour le mélange limon + phosphate

Liants hy-drauliques concentration Gonflement vo-

lumique Gv (%)

Résistance par fendage Rtb

(MPa)

Aptitude au traitement

0,55 0,668 0,31 0,620 0,29 0,51 0,390

Apte

0,10 0,631 0,06 0,487

CEM I

0,85 0,11 0,434

Apte

0,05 0,278 0,19 0,333 0,29 0,18 0,471

Apte

0,07 0,400 0,24 0,311

CEM II

0,85 0,04 0,356

Apte

0 20 40 60 80 10

1

2

3

4

5

6

7

00

81.5 % CaO + 6 % CEM I

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM I faible [phosphate] forte [phosphate]

0 20 40 60 80 100

0

1

2

3

4

5

6

7

81.5 % CaO + 6 % CEM II

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM II faible [phosphate] forte [phosphate]

Figure 3. Résistance à la compression simple du mélange limon + phosphate. Les résultats du test d’aptitude du sol contenant du phosphate sont donnés dans le

tableau 7. Le gonflement volumique, comme les mesures de Rtb, ne sont pas affectées par l’ajout de phosphate. La seule différence avec le limon pur est que les mesures de Rtb sont plus faibles dans le cas du traitement au CEM II. Les résultats de résistance à la compression simple pour le limon traité au CEM I sont donnés par la Figure 3. Les résis-tances à la compression simple diminuent quand la concentration en phosphate aug-mente. Dans le cas du traitement au CEM II, les résistances à la compression simple sont légèrement plus faibles que dans le cas du limon pur.

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008

Les rapports Ri sont satisfaisants pour le traitement au CEM I (faible dosage : 0,73, fort dosage : 0,86) et pour le traitement au CEM II (faible dosage : 0,82, fort dosage : 0,88). Le gonflement volumique pour les deux traitements est faible.

Il apparaît que le phosphate diminue l’efficacité du traitement. Mais le limon mélangé au phosphate reste toujours apte au traitement selon les normes françaises. 5.5. Limon mélangé avec du chlorure (chlorure de sodium, NaCl)

Les résultats du test d’aptitude du limon mélangé avec des chlorures sont donnés

dans le Tableau 8. Le comportement du limon traité n’est pas modifié par les chlorures. Les résultats de résistance à la compression simple pour le mélange limon et chlorure sont donnés dans la figure 4. Dans ce cas, il n’y a pas d’influences significatives des chlorures sur le traitement.

Tableau 6. Résultats de l’essai d’aptitude pour le mélange limon + chlorure

Liants hy-drauliques concentration Gonflement vo-

lumique Gv (%)

Résistance par fendage Rtb

(MPa)

Aptitude au traitement

0,32 0,465 0,03 0,670 0,06 0,34 0,651

apte

0,40 0,681 0,29 0,387

CEM I

1,2 0,38

apte

0,11 0,533 0,06 0,497 0,06 0,10 0,445

apte

0,12 0,487 0,16 0,436

CEM II

1,2 0,11 0,421

apte

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

0 20 40 60 80 10

1

2

3

4

5

6

7

00

8

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM I faible [chlorure] forte [chlorure]

1.5 % CaO + 6 % CEM I

1.5 % CaO + 6 % CEM II

RC

(MPa

)

Temps de cure (Jours)

limon + CEM I faible [chlorure] forte [chlorure]

Figure 4. Résistance à la compression simple du mélange + chlorure Les rapports Ri sont satisfaisants pour le traitement au CEM I (faible dosage : 0,90) et

pour le traitement au CEM II (faible dosage : 0,81, fort dosage : 0,92). Les gonflements volumiques sont très faibles pour les deux traitements. Aux concentrations choisies dans l’étude, il semble que le chlorure ne soit pas un élément perturbateur du traitement des sols.

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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008 6. Conclusions et Discussion

Le premier objectif de l’étude était de préciser de manière objective l’impact potentiel des éléments chimiques étudiés sur le traitement du limon, ces éléments étant mention-nés comme perturbateurs dans le guide du traitement des sols (LCPC-SETRA, 2000). Ainsi, aucun essai ne met en évidence une influence du chlorure sur le traitement du li-mon. Par contre, il apparaît que les fertilisants (phosphate et nitrate) peuvent altérer les effets d’un traitement, et entraîner une baisse des caractéristiques mécaniques du limon. Enfin, comme il est décrit dans la littérature (Mitchell, 1986), nous confirmons que les sulfates peuvent provoquer un gonflement volumique, associé à une baisse des perfor-mances mécaniques, et donc un échec du traitement sous certaines conditions.

Il est intéressant de noter que même si les composés considérés ont un effet négatif sur le rendement mécanique d’un traitement, ils n’entrainent pas systématiquement son échec, et ainsi n’excluent pas l’utilisation du sol pour des travaux de terrassements. Le cas du soufre est à ce titre très instructif. En effet, pour la concentration maximale consi-dérée, l’emploi du CEM II conduit à un échec du traitement (Tableau 5) alors que l’emploi du CEM I permet la réussite du traitement. Il apparaît ainsi clairement que le type de liant utilisé est déterminant dans le succès ou l’échec d’un traitement. Il est donc difficile, dans un cas général, de déterminer si un élément est perturbateur ou non du traitement des sols en se basant uniquement sur sa nature et sa concentration dans le sol. Les résultats de cette étude montrent qu’il est indispensable de prendre en compte la nature du sol, la nature des liants, et enfin l’élément chimique et sa concentration pour toute évaluation de l’aptitude au traitement. Il est donc difficile de mettre en évidence un seuil d’influence uni-que pour les composés étudiés. 7. Remerciements

Cette étude a été réalisée dans le cadre de la thèse de doctorat du premier auteur, en convention CIFRE par le Syndicat Professionnel des Terrassiers de France. 8. Références Cabane, N., Nectoux, P., Gaudon, P., Fouletier, M. (2005). Contribution to study of sulphur dam-

ages on traited soils. Proceedings of 2nd International Symposium of treatment and recycling of materials for transport infrastructure, Paris. 182 p.

Guichard, C. (2006). Eléments perturbateurs de la prise dans les sols traités aux liants hydrauli-ques : définition, détection, seuils et remèdes. Master of sciences, INSA Strasbourg.

Hunter, D., (1988). Lime induced heave in sulphate bearing clay soils. Journal of geotechnical engineering, 114 : 150-167.

LCPC – SETRA. (2000). Soil treatment with lime and/or hydraulic binders. Technical guide. ISSN: 1151-1516. 240 p.

Mitchell, J.K. (1986). Practical problems from surprising soil behavior. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 112: 259-289.

Ribera, D., Saint Denis, M. (1999). The worm Eisenia fetida: interests and perspectives in terres-trial ecotoxicology. Bull Soc. Zool. Fr., 124(4): 411-420.

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