Risque associé au retrait gonflement des sols argileux...

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1 Risque associé au retrait gonflement des sols argileux et marneux. Expérimentation combinant essais mécaniques et approche microstructurale Myriam Duc, Aurélie Maloula, Lamis Makki Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Paris Division mécanique des sols et des roches et géologie de l’ingénieur.

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Risque associé au retrait gonflement des sols argileux et marneux.

Expérimentation combinant essais mécaniques et approche microstructurale

Myriam Duc, Aurélie Maloula, Lamis Makki

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, ParisDivision mécanique des sols et des roches

et géologie de l’ingénieur.

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Teneur en eau

Volume

max

min

w r wP wL wmax

Les pays humides s’intéressent au retrait

(peu étudié) responsable des pathologies

initialretrait

gonflement

La France sinistrée…

Le cas des pays tempéré : la France

Moins d’eauRetrait

Etat initial

Plus d’eauGonflement

Les sols argileux réagissent aux changements de leur teneur en eau

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(1) Evapo-transpiration(2) Evaporation(3) Absorption by roots(4) Clay layer(5) Clay sheet(6) Interstitial water

Source Site web du BRGM

Pathologies

Project MISS in LCPC

Sécheresses >> pathologies coûteuses (depuis 1989 > 4,5 M d’euros).

Pas de règles de construction obligatoires en France pour les bâtiments.

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D’autres paramètres jouent un rôle !!

Sécheresses >> catastrophes naturelles critères CATNAT : rapport météo et présence d’argiles ‘sensibles’

Pour comprendre le comportement des constructions ….comprendre le comportement du sol.

densité du sol nombre de cycles d’humidification-séchage

Teneur en carbonates

Déterminer l’amplitude de déformation du sol pour adapter les fondations des maisons individuelles

Caractériser la sensibilité du sol au retrait gonfl ementOpération de recherche LCPC 11M065 et Projet ANR ARGIC

Thèse de L. Makki (2009)

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Courbe de retrait d’après Cornelis et al. (2006)

Caractériser la sensibilité du sol :obtenir des courbes de retrait pour connaître la déformation

du sol en fonction des variations hydriques

Point d’entrée d’air

e = Vvides/Vsolide

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6(fiche technique à la disposition des laboratoires intéressés)

Makki et al.. (2008) SEC 2008, Presses du LCPC, pp. 257-264

Un essai de retrait libre volumique automatisé

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Argile verte de RomainvilleMarne de PantinMarne bleue d’ArgenteuilGypse

Sols choisis pour comparer argiles et marnesCarrière de Villeparisis (Seine et Marne)

* Semi-quantification de la fraction argileuse

MinéralogieAV 2007

Argile < 2µm 78%

Quartz

Kaolinite 5%

Illite 60%

Montmo. 35%

Feldspath trace

3,1% CaCO3

MB 2007Argile < 2µm

81%

Quartz

Kaolinite 10%

Illite 50%

Montmo.40%

Dolomite Calcite

34,4% CaCO3G

onfle

men

t

Phase majoritaire

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Influence des carbonates sur le retrait des sols (Déformations)

Eprouvettes intactes

Les carbonates seraient responsables du blocage de la déformation et de la

forme de la courbe ?

PEAPEA

PEA

PEA

wRwR

11%30%0,84Marne bleue

17,3%

εεεεvol

27%

w

0,77Argile verte

eo

εεεεvol déformation volumique

Marne bleue : plus lâche et plus humide >> moins déformable !!

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Influence des carbonates sur le retrait des sols

Les carbonates seraient responsables du blocage de la déformation et de la forme de la courbe ?

o Décarbonatation de la marne bleue (enlever les carbonates)

o Carbonatation de l’argile verte (ajouter des carbonates)

Duc M., Makki L., Maloula A., Magnan J-P. (2009), ‘XIV International Clay Conference’, Castellaneta Marina, 14-20 juin 2009, Italie

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10

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20 25 30 35

Water content w(%)V

olum

e de

form

atio

n (%

)

Undisturbed

Disturbed W

Décarbonatation de la marne bleue (Déformations)

Décarbonatation

Forme de la courbe de retrait 3 parties >> 2 parties

La déformation volumique diminue après la décarbona tation par rapport au sol remanié W εεεεvol remanié W > εεεεvol décarbonaté (?)

Remaniement:

remaniement du sol sous forme de boue :

sol compacté et humidifié pour retrouver l’état initial du sol intact

Le remaniement modifie la structure du sol (les déformations augmentent)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20 25 30 35

Water content w(%)V

olum

e de

form

atio

n (%

)

Disturbed green clay W

Disturbed D

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Carbonatation de l’argile verte(Déformations)

Carbonatation

Forme de la courbe de retrait 2 parties >> 3 parties

La déformation volumique diminue après la carbonata tion par rapport au sol remanié W εεεεvol remanié W > εεεεvol décarbonaté

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30 35

Water content w(%)V

olum

e de

form

atio

n (%

)

Disturbed W

Undisturbed

Remaniement:

remaniement du sol sous forme de boue :

sol compacté et humidifié pour retrouver l’état initial du sol intact

Le remaniement modifie la structure du sol (les déformations diminuent)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30 35

Water content w(%)V

olum

e de

form

atio

n (%

)

Disturbed RC

Disturbed Blue marl W

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12Une action spécifique des carbonates sur la forme de la courbe de retrait...

Essais de retrait avec argile verte remaniée W + gy pse ou chaux ou billes de verre ou alumine...

WR argile verte

remaniée W = 16%

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Porosimétrie mercure et microscopie électronique à balayage environnemental

Pour comprendre les changements de structure lors du retrait en relation avec le comportement mécanique du sol

ESEM quanta 400 de

chez FEI

Poromercure Micromeritics IV (Ecole Centrale

Paris)

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Eprouvettes intactesEprouvettes intactes : argile verte et marne bleue après le retrait

Influence des carbonates sur le retrait des sols (microstructure)

Argile verte Marne bleue

200 µm 200 µm

<6nm

20 µm

carbonates ( ∼∼∼∼ µm)

Pores associés aux carbonates ?

20 µm

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Décarbonatation / carbonatation(microstructure)

500 µm

Sol décarbonaté

50 µm

Porosité associée aux carbonates

200 µm

Sol carbonaté

10 µm

carbonates ( ∼∼∼∼ µm)

marne bleue

argile verte

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Conclusions

Attention : cycles de séchage-humidification >> déstructuration et mouvement des particules : les marnes tassent ou gonflent progressivement parfois plus que les argiles. Le gonflement ou le retrait dans les sols argileux s’exprime dès le premier cycle.

sol dense >> pas de retraitsol lâche >> pas de gonflement

>> densité (ou e) dans les classifications de sols

Comportement de retrait gonflement du sol :

amplitude de déformation

nature de l’argile

présence de carbonates

Structure du sol héritée de son histoire géologiqueet donc du remaniement du sol

Les carbonates bloquent les déformations dans les sols marneux>> teneur en carbonate dans les classifications de sol

Apport de l’ESEM et de la porosimétrie : vers un modèle physique du sol

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Temp.: 31 °C

Temp.: 601 °CTemp.: 592 °CTemp.: 581 °CTemp.: 570 °CTemp.: 559 °C

Temp.: 548 °CTemp.: 536 °CTemp.: 525 °CTemp.: 514 °CTemp.: 503 °C

Temp.: 501 °CTemp.: 400 °CTemp.: 300 °CTemp.: 199 °CTemp.: 99 °C

Lin

(Cou

nts)

0

1000

2000

3000

4000

5000

2-Theta - Scale

10.5 11 12 13

Amorphisation de la kaolonite (transformation en métakaolin à T°C croissante)

Humidity: 89.5 %Humidity: 84.6 %Humidity: 79.5 %Humidity: 74.5 %Humidity: 69.5 %

Humidity: 64.4 %Humidity: 59. %Humidity: 54.1 %Humidity: 49.4 %Humidity: 44.5 %Humidity: 39.7 %

Humidity: 34.6 %Humidity: 29.2 %Humidity: 24.5 %Humidity: 19.7 %Humidity: 14.4 %Humidity: 9.6 %

Lin

(Cou

nts)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

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1000

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1200

1300

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1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2-Theta - Scale

3.4 4 5 6 7 8 9 Gonflement de la bentonite à 30°C de 9% à 90% Hr

Nouvel équipement de diffraction de rayons X au LCPC Paris (division MSRGI)

Chambres environnementales : changement de phases en température (jusqu ’à 1200°C) et au cours d’une

humidification/séchage (Hr 95%, 60C)

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Merci de votre attention