contribution a l'etude de la stabilisation chimique - Université de ...
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Faculté <strong>de</strong>s Sciences <strong>de</strong> l’Ingénieur<br />
Département <strong>de</strong> Génie Civil<br />
CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA STABILISATION<br />
CHIMIQUE DE QUELQUES ARGILES GONFLANTES DE LA<br />
REGION DE TLEMCEN<br />
MÉMOIRE DE MAGISTER<br />
Discipline : Génie civil<br />
Spécialité : Mécanique <strong>de</strong>s Sols et Géotechnique<br />
Présenté<br />
Et soutenu publiquement par<br />
M elle : Fatima Zohra AZZOUZ<br />
Le 2006, <strong>de</strong>vant le jury ci-<strong>de</strong>ssous<br />
Prési<strong>de</strong>nt : Mr. F. GHOMARI Maître <strong>de</strong> conférences.<br />
Encadreur : Mr. A. BEKKOUCHE Maître <strong>de</strong> conférences.<br />
Examinateurs : Mr.L .LARABI Maître <strong>de</strong> conférences.<br />
Mr. Y. HAREK Maître <strong>de</strong> conférences.<br />
Mr. SM. AISSA MAMOUNE Maître Assistant.<br />
Laboratoire : Eaux et Ouvrages dans Leur Environnement.
Remerciements<br />
Mes premiers remerciements vont à mon directeur <strong>de</strong> ce mémoire Monsieur<br />
BEKKOUCHE qui m’a témoigné son soutien et sa confiance et qui m’a prodigué un<br />
enseignement toujours judicieux et rigoureux durant toutes les phases du<br />
mémoire.Qu’il trouve ici l’expression <strong>de</strong> ma sincère gratitu<strong>de</strong>.<br />
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur F. GHOMARI, Enseignant<br />
maître <strong>de</strong> conférences université <strong>de</strong> Tlemcen qui m’a fait l’honneur <strong>de</strong> prési<strong>de</strong>r mon<br />
jury.<br />
Je tiens également à adresser mes vifs remerciements à Monsieur LARABI,<br />
Enseignant maître <strong>de</strong> conférences au département chimie université <strong>de</strong> Tlemcen,<br />
Monsieur HARAK, Enseignant maître <strong>de</strong> conférences au département chimie<br />
université <strong>de</strong> Tlemcen, Monsieur S.M. AISSA MAMOUNE maître assistant au<br />
département Génie civil université du Tlemcen d’avoir accepter d’examiner ce<br />
mémoire.<br />
J’exprime mes vifs remerciements a Monsieur LARABI, (E.M.C), et Monsieur<br />
HARAK, (E.M.C), pour leurs précieux ai<strong>de</strong>s et conseils dans <strong>la</strong> <strong>de</strong>rnière phase <strong>de</strong><br />
cette recherche. Aussi à Monsieur S.M. AISSA MAMOUNE (M.A) pour leurs ai<strong>de</strong> et<br />
conseils tout au long <strong>de</strong> mon travail.<br />
Je remercie tout le personnel du Laboratoire <strong>de</strong>s Travaux Publics d’Ouest<br />
(unité <strong>de</strong> Tlemcen LTPO) pour leur accueil et ai<strong>de</strong> pendant mon travail.<br />
Je voudrais aussi adresser mes sincères remerciements à Monsieur RUISSET<br />
T. et à Monsieur ZENDAGUI et à Monsieur ZADJAOUI pour le soutien moral.<br />
Je voudrais aussi adresser mes sincères remerciements au personnel et aux<br />
techniciens du <strong>la</strong>boratoire <strong>de</strong> mécanique <strong>de</strong>s sols qui m’ont aidée et soutenue, je les<br />
remercie très sincèrement pour leur patience.<br />
Je remercie vivement mon futur mari pour sa patience, son soutien moral et sa<br />
confiance le long <strong>de</strong> ma formation magistrale.<br />
Enfin, je ne saurais oublier <strong>de</strong> remercie tous ceux qui m’ont été d’un soutien<br />
qu'il soit moral ou matériel.<br />
Enfin tout à fait enfin je tiens à adresser mes sincères remerciements ainsi<br />
que ma gratitu<strong>de</strong> <strong>la</strong> plus dévouée à mes <strong>de</strong>ux étoiles scintil<strong>la</strong>ntes (mes parents)-que<br />
le Bon Dieu me les gar<strong>de</strong> aussi longtemps -pour leur dévouement et surtout pour leur<br />
amour et le sacrifice qu'ils m'ont accordés.A mes frères et sœurs pour leur<br />
soutien .Et pour conclure à toute personne ayant contribué <strong>de</strong> loin ou <strong>de</strong> près à<br />
mon éducation et ma formation.
République Algérienne Démocratique et Popu<strong>la</strong>ire<br />
<strong>Université</strong> Aboubekr Belkaid - Tlemcen<br />
Cher Monsieur,<br />
Faculté<br />
<strong>de</strong>s Sciences<br />
<strong>de</strong> l’Ingénieur<br />
Tlemcen, le 16 Septembre 2006<br />
A l’attention <strong>de</strong> Monsieur GHOMARI F.<br />
Je tiens à vous présenter tous mes remerciements et toute ma gratitu<strong>de</strong> d’avoir bien voulu<br />
prési<strong>de</strong>r le jury du présent mémoire qui rentre dans le cadre <strong>de</strong> l’obtention du diplôme <strong>de</strong><br />
Magister en Génie Civil, intitulé : " CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA<br />
STABILISATION CHIMIQUE DE QUELQUES ARGILES GONFLANTES DE LA<br />
REGION DE TLEMCEN ".<br />
Dans l’attente <strong>de</strong> votre rapport d’examination, je vous prie <strong>de</strong> croire, cher ami, à l’assurance<br />
<strong>de</strong> mes sentiments respectueux.<br />
BEKKOUCHE Ab<strong>de</strong>lmalek
République Algérienne Démocratique et Popu<strong>la</strong>ire<br />
<strong>Université</strong> Aboubekr Belkaid - Tlemcen<br />
Faculté<br />
<strong>de</strong>s Sciences<br />
<strong>de</strong> l’Ingénieur<br />
AUTORISATION DE SOUTENANCE<br />
Nous soussigné, M r . BEKKOUCHE Ab<strong>de</strong>lmalek (Maître <strong>de</strong> Conférence, <strong>Université</strong><br />
Abou Bekr Belkaïd, Tlemcen), autorise M elle . AZZOUZ Fatima Zohra à soutenir son mémoire<br />
<strong>de</strong> Magister option «mécanique <strong>de</strong>s sols- Géotechnique» intitulé :<br />
Contribution a l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>chimique</strong> <strong>de</strong> quelques<br />
suivant :<br />
argiles gonf<strong>la</strong>ntes <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen<br />
Par ailleurs, le comité scientifique réuni le 14-09-2006 a proposé les membres <strong>de</strong> jury<br />
Prési<strong>de</strong>nt <strong>de</strong> jury<br />
Mr F.GHOMARI Maître <strong>de</strong> conférences ((<strong>Université</strong> <strong>de</strong> Tlemcen)<br />
Examinateurs<br />
Mr L. Larabi Maître <strong>de</strong> conférences (<strong>Université</strong> <strong>de</strong> Tlemcen)<br />
Mr Y. Harek Maître <strong>de</strong> conférences (<strong>Université</strong> <strong>de</strong> Tlemcen)<br />
Mr S.M. Aissa mamoune Maître Assistants (<strong>Université</strong> <strong>de</strong> Tlemcen)<br />
BEKKOUCHE Ab<strong>de</strong>lmalek
UNIVERSITE ABOUBEKR BELKAID - TLEMCEN<br />
FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR<br />
Département <strong>de</strong> Génie Civil<br />
Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur Environnement<br />
Soutenance <strong>de</strong> Magister Intitulé<br />
CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA STABILISATION<br />
CHIMIQUE DE QUELQUES ARGILES GONFLANTES DE LA<br />
REGION DE TLEMCEN<br />
Le Jeudi 30 Juin à 9h (Nouvel Amphithéâtre)<br />
Présenté par : M elle AZZOUZ Fatima Zohra<br />
Devant le Jury Composé <strong>de</strong> :<br />
Mr F. GHOMARI Prési<strong>de</strong>nt (Univ. Tlemcen)<br />
Mr A. BEKKOUCHE Encadreur (Univ. Tlemcen)<br />
Mr L.LARABI Examinateur (Univ. Tlemcen)<br />
Mr Y.HAREK Examinateur (Univ. Tlemcen)<br />
Mr SM.AISSA MAMOUNE Examinateur (Univ. Tlemcen)
LETRES LATINES<br />
ag : L’anisotropie du gonflement<br />
Ah : <strong>la</strong> constante <strong>de</strong> Hamaker<br />
LISTES DES SYMBOLES<br />
ap : L’anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.<br />
ap : L’activité <strong>chimique</strong> <strong>de</strong> l’eau <strong>de</strong>s pores.<br />
ar : D’activité re<strong>la</strong>tive<br />
B : le temps du <strong>de</strong>mi-gonflement.<br />
C = concentration saline<br />
CEC : <strong>la</strong> capacité d’échange cationique<br />
CEi : La capacité d'échange <strong>de</strong>s sites <strong>de</strong> type i<br />
Cg : Le coefficient <strong>de</strong> gonf<strong>la</strong>nts<br />
Cc : L’indice <strong>de</strong> compressibilité<br />
Dh : étant le gonflement radial<br />
F : <strong>la</strong> constante <strong>de</strong> Faraday<br />
f : Le coefficient d'activité d'une espèce adsorbée (généralement pris égal à 1)<br />
FR(d) : La résultante <strong>de</strong>s forces au centre <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux feuillets<br />
E : le module <strong>de</strong> Young.<br />
e : La charge d’un électron<br />
G : le taux <strong>de</strong> gonflement maximal pour un temps infini.<br />
H : Hauteur<br />
H DC : L’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse<br />
Hr : l’humidité re<strong>la</strong>tive initiale<br />
i : une direction,<br />
I : La concentration <strong>de</strong> l'espèce I adsorbée ou en solution<br />
IP : indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité.<br />
IR : indice <strong>de</strong> retrait.<br />
K : l’indice <strong>de</strong> gonflement<br />
K b est <strong>la</strong> constante <strong>de</strong> Boltzmann<br />
kh : Constante<br />
Kad et Kds : les coefficients d’adsorption et <strong>de</strong> désorption<br />
N : nombre d'Avogadro<br />
ni : Le nombre d’ion/m3<br />
Nf : La et le nombre <strong>de</strong> feuillets argileux.
Pc : <strong>la</strong> pression capil<strong>la</strong>ire<br />
p0 : <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> surconsolidation,<br />
Pmax : <strong>la</strong> pression du gonflement maximale.<br />
Pw : <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> <strong>la</strong> boue <strong>de</strong> forage.<br />
S : <strong>la</strong> surface spécifique<br />
Sf : surface d’un feuillet<br />
s0 : un paramètre <strong>de</strong> surconsolidation lié à <strong>la</strong> succion<br />
Smax : l’humidité sur le gonflement libre maximal<br />
SM : le gonflement maximum <strong>de</strong> <strong>la</strong> première phase<br />
S.S.T : La surface spécifique.<br />
T : La température<br />
t0 : un temps <strong>de</strong> référence<br />
u : <strong>la</strong> tension <strong>de</strong> surface eau air<br />
ua : <strong>la</strong> pressions d’air<br />
uw : <strong>la</strong> pressions d’eau,<br />
VB: Valeur du bleu<br />
Vs : le volume <strong>de</strong>s particules soli<strong>de</strong>s,<br />
W0 : Teneur en eau initiale<br />
WL : limite <strong>de</strong> liquidité<br />
Wn : Teneur en eau naturelle<br />
WP : limite <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité<br />
WR : limite <strong>de</strong> retrait<br />
Xi : Le nombre <strong>de</strong> sites d'échange.<br />
zi : La charge <strong>de</strong> l'ion i.
ua : La pressions d’air<br />
uw : La pressions d’eau,<br />
u : La tension <strong>de</strong> surface eau air<br />
Δ H : Gonflement total<br />
Δ : ensemble <strong>de</strong> décision s possibles<br />
LETRES GREQUES<br />
χ : parametre exprimant <strong>la</strong> part <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte totale reprise par le flui<strong>de</strong><br />
interstitiel<br />
ψ t : Succion totale<br />
ψ o : La succion osmotique<br />
ψ m : La succion matricielle<br />
∞<br />
γ i : La concentration <strong>de</strong> l'ion i dans le réservoir<br />
ζ : Potentiel zéta<br />
∏ r<br />
∏ a<br />
∏ h<br />
: Force <strong>de</strong> répulsion,<br />
: Force d’attraction <strong>de</strong> Van <strong>de</strong>r<br />
: Force d’hydratation.<br />
λ : Constante varie <strong>de</strong> 0.6.10-9 à 2.10-9 m ,<br />
γs : Densité spécifique<br />
γd : Densité sèche<br />
γh : Densité humi<strong>de</strong><br />
Δ π : La pression osmotique.<br />
μ β : Le potentiel <strong>chimique</strong> <strong>de</strong> l’espèce ionique β .<br />
w β : Le coefficient osmotique <strong>de</strong> l’espèce ionique β .<br />
e β : La charge électrique <strong>de</strong> l’espèce ionique β ,<br />
ε g : La pression <strong>de</strong> gonflement.<br />
σ m La contrainte moyenne.<br />
g<br />
I Iε<br />
: Les premiers invariants <strong>de</strong>s déformations.<br />
g<br />
I Iσ<br />
: Les premiers invariants <strong>de</strong>s contraintes.<br />
ν : Le coefficient <strong>de</strong> Poisson.
g<br />
ε : Le tenseur du gonflement.<br />
σ : Le tenseur <strong>de</strong>s contraintes totales,<br />
σ g : Le tenseur <strong>de</strong>s pressions <strong>de</strong> gonflement,<br />
β : Le tenseur d’anisotropie.<br />
β a : Le paramètre permet d’étudier le caractère anisotrope <strong>de</strong> gonflement.<br />
ε gi : Le gonflement,<br />
σ gi : La pression <strong>de</strong> gonflement<br />
σ a et σ 0 sont respectivement le gonflement axial.<br />
σ x , σ y σ z : Contraintes principales.<br />
*<br />
*<br />
σ xy et xz<br />
σ . : Contraintes virtuelles.<br />
TS<br />
R i : Le coefficient <strong>de</strong> réduction du gonflement suivant une direction i.<br />
σ c : Une pression <strong>de</strong> référence.<br />
R ij : Le coefficient <strong>de</strong> réduction du gonflement suivant <strong>la</strong> direction i due à une<br />
contrainte suivant <strong>la</strong> direction j et<br />
direction i.<br />
γ : Le coefficient d'activité d'une espèce en solution<br />
σ La <strong>de</strong>nsité spécifique<br />
ε v : désigne <strong>la</strong> déformation verticale,<br />
SM : Le gonflement maximum <strong>de</strong> <strong>la</strong> première phase (%)<br />
σ s : La contrainte <strong>de</strong> service<br />
σ v0<br />
: La contrainte <strong>de</strong>s poids <strong>de</strong>s terres<br />
*<br />
σ ij est <strong>la</strong> contrainte virtuelle appliquée suivant <strong>la</strong>
LISTE DES FIGURES<br />
Figure. 1.1 : Soulèvement puis dislocation du radier d’un tunnel……………………………06<br />
Figure. 1.2 : Les trois barrières <strong>de</strong> protection selon l’ANDRA Agence Nationale pour <strong>la</strong><br />
gestion <strong>de</strong>s Déchets Radioactifs………………………………………………………………07<br />
Figure 1.3 : Structure <strong>de</strong> <strong>la</strong> montmorillonite………………………………………………….09<br />
Figure. 1.4 : Ouverture <strong>de</strong>s fissures en proximité <strong>de</strong>s matériaux rigi<strong>de</strong>s……………………..13<br />
Figure 1.5 : Photographies au Microscope Electronique à Ba<strong>la</strong>yage <strong>de</strong>s argiles…………….13<br />
Figure 1.6: Représentation schématique <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche électrique et <strong>de</strong> l’évolution du<br />
potentiel électrique en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule à <strong>la</strong> solution…………………..17<br />
Figure1.7 : potentiel d’interaction en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance entre particules……………….18<br />
Figure. 1.8 : Force électrostatiques dans <strong>la</strong> double couche…………………………………...20<br />
Figure. 1.9 : Répartition <strong>de</strong>s ions autour d’une particule chargée……………………………20<br />
Figure. 1.10 : Phénomène osmotique idéal…………………………………………………...21<br />
Figure 1.11 : Effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale sur le comportement du gonflement avec <strong>la</strong><br />
technique du gonflement libre………………..……………………………………………….27<br />
Figure 1.12 : potentiel <strong>de</strong> gonflement en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale……………….27<br />
Figure 1.13 : Variation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement en fonction <strong>de</strong> teneur en eau initiale …28<br />
Figure 1.14 : potentiel <strong>de</strong> gonflement en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité initiale……………………...30<br />
Figure 1.15 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> hauteur initiale sur le gonflement……………………………...31<br />
Figure 1.16 : le potentiel du gonflement en fonction du comportement<br />
cyclique(gonflement/retrait)selon <strong>de</strong>s différents chercheurs………………………………...33<br />
Figure 1.17 : Potentiel maximum du gonflement et avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour le retrait<br />
partiel…………………………………………………………………………………………33<br />
Figure 1.18 : Potentiel maximum du gonflement et avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour le retrait<br />
total……………………………………………………………………………………………33<br />
Figure 1.19 : Pression du gonflement et avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour le retrait partiel…...34<br />
Figure 1.20 : Pression du gonflement et avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour le retrait total……..34<br />
Figure 1.21 : Changement <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> vitesse ultrasonique avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour<br />
le retrait partiel et total………………………………………………………………………..34<br />
Figure 1.22 : Variation <strong>de</strong> indice <strong>de</strong> vi<strong>de</strong> avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour le retrait partiel et<br />
total……………………………………………………………………………………………34<br />
Figure 1.23 : Variation <strong>de</strong> H / H (soulèvement unitaire) en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> profon<strong>de</strong>ur………35<br />
Figure 1.24 : Diagramme comparatif « pression <strong>de</strong> gonflement – diffusion <strong>de</strong> contrainte<br />
»…………………………………………………………………………………………….....35<br />
Figure. 1.24 : Différents mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> compaction………………………………………..……..37
Figure 2.1 : Modèle <strong>de</strong> Gouy-Chapman……………………………………………………...40<br />
Figure 2.2 : Modèle <strong>de</strong> Stern………………………………………………………………….41<br />
Figure 2.3 : Modèle triple couche…………………………………………………………...41<br />
Figure. 2.4 : Forces microscopiques………………………………………………………….47<br />
Figure. 2.5 : Surfaces <strong>de</strong> charge sous chargement isotrope…………………………………..51<br />
Figure 2.6. : a: Complexe <strong>de</strong> sphère interne, ). b: Complexe <strong>de</strong> sphère externe……………..59<br />
Figure 3.1 : Conditions d’utilisation <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> Chimique……………..…………….64<br />
Figure 3.1 : Variation d’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité en ajout <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux………………...…………..65<br />
Figure 3.2 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux sur les caractéristiques <strong>de</strong> compactage…………..……….65<br />
Figure 3.3: La pression <strong>de</strong> gonflement en fonction % <strong>de</strong> sulfate <strong>de</strong> calcium………..………67<br />
Figure 3.4: limites consistance du pour <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> du sol en en fonction % <strong>de</strong> sulfate <strong>de</strong><br />
calcium………………………………………………………………………………………..67<br />
Figure 3.5: variation <strong>de</strong> % <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps <strong>de</strong> sol non traité et du sol traité<br />
par <strong>la</strong> boue <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux à <strong>la</strong> distance radiale <strong>de</strong> 1,5d……………….………………………...68<br />
Figure 3.6 : variation <strong>de</strong> % <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps <strong>de</strong> sol non traité et du sol<br />
traité par <strong>la</strong> boue <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux à <strong>la</strong> distance radiale <strong>de</strong> 0,9d…………………………………...68<br />
Figure 3.7: La variation <strong>de</strong> potentiel du gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour Sol A non<br />
traité et traité……………...…………………………………………………………………..69<br />
Figure 3.8 : La variation <strong>de</strong> pression gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour Sol A non<br />
traité et traité………………………………………………………………………………….69<br />
Figure 3.9: La variation <strong>de</strong> potentiel du gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour Sol B non<br />
traité et traité………………………………………...………………………………………..69<br />
Figure 3.10: La variation <strong>de</strong> pression gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour Sol B non<br />
traité et traité………………………………………………………………………………….69<br />
Figure 3.11: La variation <strong>de</strong> potentiel du gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour Sol C<br />
non traité et traité……………………………………………………………………………..69<br />
Figure 3.12 : La variation <strong>de</strong> pression gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour Sol C non<br />
traité et traité……………………………………………………………………………...…..69<br />
Figure 3.14. La variation du potentiel du gonflement en fonction <strong>de</strong>s pourcentages <strong>de</strong>s<br />
cendres volcanique et du temps, pour <strong>de</strong>s sols <strong>de</strong> Degirmenlik et <strong>de</strong> Tuz<strong>la</strong>…………………71<br />
Figure 3.15: Effet <strong>de</strong>s cendres vo<strong>la</strong>ntes et du temps traitant sur les valeurs <strong>de</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement <strong>de</strong>s sols <strong>de</strong> Degirmenlik et <strong>de</strong> Tuz<strong>la</strong>……………………………………………..71<br />
Figure 3.16. Capacité d'échange cationique, valeurs <strong>de</strong> CEC <strong>de</strong>s cendres vo<strong>la</strong>ntes traitées Sols<br />
………………………………………………………………………………………………...72<br />
Figure 3.17: essai à l’oedomètre à double p<strong>la</strong>teau pour tester <strong>de</strong>ux échantillons riche en<br />
sodium sec…………………………………………………………………………………….75<br />
Figure 3.18: Influence <strong>de</strong>s cations adsorbés sur potentiel gonflement / d'effondrement……..75<br />
Figure 3.19: Influence <strong>de</strong>s solutions <strong>de</strong> cation <strong>de</strong> mouil<strong>la</strong>ge sur potentiel gonflement……....76<br />
5
Figure 3.20: influence <strong>de</strong>s solutions <strong>de</strong> cation <strong>de</strong> mouil<strong>la</strong>ge sur potentiel gonflement t<br />
d'effondrement <strong>de</strong>s échantillons secs <strong>de</strong> riches <strong>de</strong> calcium…………………………………..76<br />
Figure 3.21: Influence <strong>de</strong>s cations adsorbés sur <strong>la</strong> compressibilité <strong>de</strong>s échantillons saturés.<br />
………………………………………………………………………………………………...76<br />
Figure 3.22: Influence <strong>de</strong>s cations adsorbés sur <strong>la</strong> compressibilité <strong>de</strong>s échantillons saturés.<br />
………………………………………………………………………………………………...76<br />
Figure 3.23: Microstructure <strong>de</strong> texture d'argile comme affectée par <strong>la</strong> composition en solution<br />
(électrolyte)…………………………………………………………………………..……….78<br />
Figure 3.24: Diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité <strong>de</strong> <strong>la</strong> bentonite en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration <strong>de</strong>s cations monovalents………………………………………………………78<br />
Figure 3.25 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence <strong>de</strong>s cations sur le gonflement……..…………………..79<br />
Figure 3.26 : Gonflement et pH pour l’eau du robinet…………………………………..…...80<br />
Figure 3.27: Gonflement et pH pour une solution <strong>de</strong> 1 M NaCl……………………...……...80<br />
Figure.4.1 : La carte géologique du groupement Tlemcen, Mansorah et Chetouane...………85<br />
Figure.4.2 : La courbe analyse granulométrique <strong>de</strong> notre sol…………………...……………86<br />
Figure 4.3 : Diagramme <strong>de</strong> c<strong>la</strong>ssification du potentiel <strong>de</strong> gonflement …………………...….87<br />
Figure 4.4 : Caractérisation <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts…………………………………………...…..89<br />
Figure.4.5 : La consistance d'un sol…………………………………...……………………...90<br />
Figure.4.6 : L’effet <strong>de</strong> sel sur <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité d’après………………………….……….91<br />
Figure.4.7 : Correction <strong>de</strong> l’effet du sel sur <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité …………..……….……….91<br />
Figure 4.8 : Limite <strong>de</strong> liquidité par différentes concentrations salines pour <strong>la</strong> argile <strong>de</strong><br />
Mansourah …………………………………………………………...………………………92<br />
Figure 4.9 : Indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité par différentes concentrations salines pour <strong>la</strong> argile <strong>de</strong><br />
Mansourah………………………………………...………………………………………….92<br />
Figure 4.10 : Limite <strong>de</strong> liquidité par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia………………………………………………………………………………………93<br />
Figure 4.11 : Indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia………………………………………………………………………………………93<br />
Figure 4.12. Dosage <strong>de</strong> l'essai <strong>de</strong> bleu ……………………………………………………… 96<br />
Figure.4.12 : Essai <strong>de</strong> proctor normale theorique…………………………………………...101<br />
Figure.4.13: Essai <strong>de</strong> proctor normale pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia et <strong>de</strong><br />
Mansourah…………………………………………………………………………………...102<br />
Figure 4.14 : Courbe <strong>de</strong> compressibilité <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts et rétractables……………...….104<br />
Figure 4.15 : Courbe oedométrique <strong>de</strong> l’argile Mansourah………………...……………….105<br />
Figure4.16 : Courbe oedométrique l’argile <strong>de</strong> Maghnia…………………………………….105<br />
Figure 5.1 : Courbe <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps…………………………...………109<br />
Figure 5.2 : <strong>de</strong>s différentes phases <strong>de</strong> l’évolution du gonflement……………………..……110<br />
6
Figure 5.3 : (a), (b) et (c) Evolution du gonflement pour déférents sols compactés par trois<br />
énergies diverses <strong>de</strong> compactage; (d) Diagramme schématique montrant <strong>la</strong> séparation du<br />
gonflement initial, primaire, et secondaire…………………………………………………..111<br />
Figure 5.4 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence eau distillé pour<br />
l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia, l’argile intacte et remanier <strong>de</strong> Mansourah………………...115<br />
Figure 5.5 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah……………………………..118<br />
Figure 5.6 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes<br />
concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah………………………………...………..119<br />
Figure 5.7: Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du KCL par différentes<br />
concentrations salines pour l’argile compactée <strong>de</strong> Maghia…………………………...…...120<br />
Figure 5.8 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du NH4CL par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghia…………………….121<br />
Figure 5.9 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghia……………………..122<br />
Figure 5.10 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghia……………………..123<br />
Figure 5.11 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Mgcl2 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghia…………………….124<br />
Figure 5.12 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Alcl3 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghia……………………..125<br />
Figure 5.13 : cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du cacl2 par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah………………………………………………...………..130<br />
Figure 5.14 : cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence a état naturel s pour différent type l’argile<br />
<strong>de</strong> Mansourah……………………...…………………………………………………….…..131<br />
Figure 5.15: cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> l’eau pour quelques l’argile <strong>de</strong> Tlemcen<br />
a différents état initial……………………………….…………………..………....………..132<br />
Figure 5.16: cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> l’eau pour quelques argiles <strong>de</strong> intacte <strong>de</strong><br />
Mansourah…………………………………………………………………………….……..132<br />
Figure 5.17: cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> l’eau pour quelques l’argile <strong>de</strong> remanie<br />
<strong>de</strong> Imama……………………………………………………………………………..……...132<br />
Figure 5.18 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du KCL par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia………………………………………………...134<br />
Figure 5.19 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du NH4CL par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia……………………………….………………..135<br />
Figure 5.20 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Nacl par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia………………………………………………...136<br />
Figure 5.21 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Cacl2 par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia………………………………………………...137<br />
Figure 5.22 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Mgcl2 par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia………………………………………………...138<br />
7
Figure 5.23 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Alcl3 par différentes concentrations<br />
salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia………………………………………………...139<br />
Figure 5.24 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du KCL……………..….………..140<br />
Figure 5.25 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du NACL…………….………...140<br />
Figure 5.26 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du NH4CL………………...…...140<br />
Figure 5.27 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du MgCl2…………………...…140<br />
Figure 5.28 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du CaCl2………………...…….141<br />
Figure 5.29 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du AlCl3……………………...….141<br />
Figure 5.30 : Argile compacter <strong>de</strong> Mansourah en présence du CaCl2………………...……141<br />
Figure 5.31 : Argile compacter <strong>de</strong> Mansourah en présence du NACL…………………..…141<br />
Figure 6.1 : Schéma d’un essai <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> A <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D...148<br />
Figure 6.2 : Courbe oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-<br />
D 4546 -pour différentes argiles <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen a état naturel……………………150<br />
Figure 6.3 : Courbe oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> LCPC avec variation<br />
<strong>de</strong> volume en état naturel pour l’argile <strong>de</strong> Tlemcen ………………………………………...153<br />
Figure 6.4 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia…………………...…...156<br />
Figure 6.5 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah………………………..156<br />
Figure 6.6 : Action chlorure <strong>de</strong> potassium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia……………………..157<br />
Figure 6.7 : Action chlorure d’ammonium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia…………………...….158<br />
Figure 6.6 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia…………………...……..159<br />
Figure 6.7 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia…………………...……..159<br />
Figure 6.9 : Réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du chlorure <strong>de</strong>.<br />
Magnésium…………………………………………………………………………………..160<br />
Figure 6.10 : Réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du chlorure<br />
d’aluminium…………………………………………………………………………………161<br />
Figure 6.11 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence <strong>de</strong>s cations sur le gonflement……………………...162<br />
Figure 6.12 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence <strong>de</strong> l’eau distillé et par<br />
une solution saline du Nacl <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> 0,05 mole/l pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia……………………………………………………………………………………..163<br />
Figure 6.13 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence <strong>de</strong> l’eau distillé et par<br />
une solution saline du Nacl <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> 0,05 mole/l pour l’argile remaniée <strong>de</strong><br />
Mansourah…………………………………………………………………………...………163<br />
Figure 6.14 :Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence <strong>de</strong> l’eau distillé et par<br />
déffirentes solutions salines <strong>de</strong> une seul concentration <strong>de</strong> 0,5 mole/l pour l’argile compacter<br />
<strong>de</strong> Maghnia…………………………………………………………………………………..164<br />
Figure 6.15 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence <strong>de</strong> l’eau distillé et par<br />
déffirentes solutions salines <strong>de</strong> une seul concentration <strong>de</strong> 2 mole/l pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia………………………………………………………………………..……………165<br />
8
Figure 6.16 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Kcl par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia……………………………………………………………………………………..166<br />
Figure 6.17 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
<strong>de</strong> Maghnia…………………………………………………………………………………..167<br />
Figure 6.18 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia……………………………………………………………………………………..168<br />
Figure 6.19 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia……………………………………………………………………………………..169<br />
Figure 6.20 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia……………………………………………………………………………………..170<br />
Figure 6.21 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia…………………………………………………………..…………………………171<br />
Figure 6.22 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong>( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Mansourah…………………………………………………………………………………...173<br />
Figure 6.23 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM-D-4546 en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Mansourah…………………………………………………………………………………...174<br />
9
LISTE DES TABLEAUX<br />
Tableau1.1 : Schéma simplifié montrant <strong>la</strong> c<strong>la</strong>ssification <strong>de</strong>s principaux groupes <strong>de</strong> minéraux<br />
argileux et <strong>de</strong> leurs espèces…………………………………………………………………...10<br />
Tableau 1.2 : Caractéristiques <strong>de</strong>s argiles…………………………………………………….12<br />
Tableau 1.3 : Capacités d’échange <strong>de</strong>s cations <strong>de</strong> quelques argiles………………………….25<br />
Tableau 1.4 : Surfaces spécifiques <strong>de</strong> quelques minéraux argileux…………………………..26<br />
Tableau 1.5 : taux <strong>de</strong> gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement pour plusieurs type du sol à<br />
différentes énergies <strong>de</strong> compactage…………………………………….…………………….27<br />
Tableau 3.1: Mécanismes <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> par ciment <strong>de</strong>s sols argileux……………….......70<br />
Tableau 3.2 : Activité et gonflement pour <strong>de</strong>s solutions salines <strong>de</strong> normalité 1 selon…….....79<br />
Tableau 4.1 : Re<strong>la</strong>tion entre le gonflement libre et l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité……………...……..88<br />
Tableau 4.2 : C<strong>la</strong>ssification proposée…………………………………………………...……89<br />
Tableau 4.3 : Re<strong>la</strong>tion entre potentiel <strong>de</strong> gonflement et limite <strong>de</strong> retrait……………………..89<br />
Tableau 4.4 : Re<strong>la</strong>tion entre potentiel <strong>de</strong> gonflement et indice <strong>de</strong> retrait…………………...…..90<br />
Tableau 4.5: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong> l’eau….94<br />
Tableau 4.6: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong>s solutions<br />
saline pour l argile <strong>de</strong> Maghnia……………………………………………………………….94<br />
Tableau 4.7: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong>s solutions<br />
saline pour l argile <strong>de</strong> Mansourah………………………………………………………...…..95<br />
Tableau 4.8: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong> solutions<br />
salines pour l argile <strong>de</strong> Mansourah…………………………………………………………...95<br />
Tableau 4.9 : valeur <strong>de</strong> bleu <strong>de</strong> quelques sols……………………………………..………….97<br />
Tableau 4.10 : Teneur en CaCO3 <strong>de</strong> quelques sols……………………………...…………...98<br />
Tableau 4.11: différentes c<strong>la</strong>ssification .du potentiel du gonflement et <strong>de</strong> retrait par les<br />
métho<strong>de</strong> indirecte……………………………………………………………………………..99<br />
Tableau 4.12 : Expressions mathématiques <strong>de</strong>s modèles <strong>de</strong> prévision du gonflement……...100<br />
Tableau 4.13 : Re<strong>la</strong>tion entre <strong>la</strong> nature du sol et le coefficient <strong>de</strong> compressibilité………....104<br />
Tableau 4.14 : La valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> CEC…………………………………………………………106<br />
Tableau 4.15 : La valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité spécifique……………...……………………………107<br />
Tableau 5.1 Des paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> différentes solutions<br />
salines a plusieurs concentrations pour l’argile Maghnia……………………………...……142<br />
Tableau 5.2 Des paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> différentes solutions<br />
salines a plusieurs concentrations pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah……………………………...143<br />
Tableau 6.1 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia et Mansourah en présence<br />
du chlorure <strong>de</strong> sodium……………………………………………...………………………..156<br />
Tableau 6.2 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du chlorure <strong>de</strong><br />
potassium pour l’argile …………………………………………..………………………….157
Tableau 6.3 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du chlorure<br />
d’ammonium………………………………………………………………………………...158<br />
Tableau 6.4 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia et Mansourah en présence<br />
du chlorure <strong>de</strong> Calcium……………………...………………………………………………159<br />
Tableau 6.5 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du chlorure<br />
<strong>de</strong> Magnésium…………………………………………………………………………..…...160<br />
Tableau 6.6 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du chlorure<br />
<strong>de</strong> Magnésium………………………………………………………………….……………161<br />
Tableau 6.7 : La taille <strong>de</strong> différentes type cations…………………………………………..162<br />
Tableau 6.8 : Pression <strong>de</strong> gonflement et variation re<strong>la</strong>tives <strong>de</strong>s pressions <strong>de</strong> gonflement en<br />
présence <strong>de</strong> différences solutions salines à plusieurs concentrations……………………….175
RESUME<br />
Plusieurs furent les étu<strong>de</strong>s effectuées sur le phénomène du gonflement <strong>de</strong>s sols, ce<br />
phénomène qui reste à non maîtrisable, provoque <strong>de</strong>s grands dégâts à travers le<br />
mon<strong>de</strong>, et les étu<strong>de</strong>s qui ont été menées ; même à présent ; ont pour but d’atténuer<br />
intensité <strong>de</strong> ces dégâts, et ce en comprenant le comportement <strong>de</strong>s sols expansifs et<br />
en maîtrisant les facteurs qui pourraient influencer ce comportement.<br />
Une étu<strong>de</strong> bibliographique a été menée, pour recueillir le maximum <strong>de</strong>s informations<br />
qui concerne le phénomène du gonflement <strong>de</strong>s argiles, ainsi que une présentation <strong>de</strong><br />
quelques résultats bibliographiques sur les facteurs influence le potentiel <strong>de</strong><br />
gonflement et sur <strong>la</strong> cinétique du gonflement.<br />
En citons les différentes techniques <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s argiles ainsi que une<br />
présentation <strong>de</strong> quelques résultats bibliographiques sur <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> du<br />
gonflement.<br />
Ensuite, une caractérisation <strong>de</strong>s matériaux utilisés était effectuée à <strong>la</strong> base <strong>de</strong> l’étu<strong>de</strong><br />
Bibliographique, il s’agit <strong>de</strong>s essais géotechniques mécaniques standard, en plus<br />
<strong>de</strong>s <strong>chimique</strong>s. Cette étu<strong>de</strong> a été réalisée sur <strong>de</strong>s sols provenant <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux sites<br />
(Maghnia et Mansourah) situé a proximité <strong>de</strong> <strong>la</strong> ville <strong>de</strong> Tlemcen.<br />
On conclu nos travail par une étu<strong>de</strong> expérimentale a porté sur l’effet <strong>de</strong>s différents<br />
sels à différentes concentrations sur le taux et <strong>la</strong> pression du gonflement afin <strong>de</strong><br />
déduire une métho<strong>de</strong> pratique simple, économique et efficace <strong>de</strong> minimisé le<br />
phénomène du gonflement.<br />
Mots clés : argiles gonf<strong>la</strong>ntes, i<strong>de</strong>ntification, gonflement, pression <strong>de</strong><br />
gonflement, <strong>stabilisation</strong> <strong>chimique</strong>,
INTRODUCTION GENERALE<br />
Le gonflement <strong>de</strong>s formations argileuses suscite actuellement l’intérêt <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
plupart <strong>de</strong>s chercheurs du fait <strong>de</strong> leur abondance dans le domaine sédimentaire et<br />
<strong>de</strong> leur responsabilité <strong>de</strong>s désordres occasionnés sur différents ouvrages (tunnels,<br />
mines, cavités <strong>de</strong> stockage, forages pétroliers…). En effet, <strong>de</strong>s chercheurs réalisent<br />
<strong>de</strong> nombreux essais au <strong>la</strong>boratoire et ce à travers le mon<strong>de</strong>, ce qui justifie justement<br />
l'abondance <strong>de</strong> ce phénomène dans <strong>la</strong> nature.Ce phénomène est causé par <strong>la</strong><br />
présence <strong>de</strong>s charges électriques sur <strong>la</strong> surface et surtout l’échangeabilité <strong>de</strong>s<br />
cations interfoliaires.<br />
Ces <strong>de</strong>rniers, appelés aussi cations compensateurs, sont les principaux éléments<br />
responsables <strong>de</strong> l’hydratation, du gonflement, <strong>de</strong> <strong>la</strong> p<strong>la</strong>sticité et <strong>de</strong> <strong>la</strong> thixotropie, et ils<br />
confèrent à ces argiles <strong>de</strong>s propriétés hydrophiles. Par exemple, lorsque <strong>la</strong> roche est mise en<br />
contact avec l’eau ou avec une solution saline, on observe qu’elle réagit soit par gonflement si<br />
elle n’est pas saturée initialement et si elle présente un déficit en charge négative, soit par<br />
retrait si <strong>la</strong> roche est initialement saturée et mise en contact avec une solution plus concentrée<br />
que l’eau <strong>de</strong>s pores.<br />
Le problème <strong>de</strong> gonflement est rencontré dans beaucoup <strong>de</strong> pays tel que : l’Afrique<br />
du Sud, l’Algérie, l’Arabie Saoudite, l’Australie, le Brésil, le Canada, <strong>la</strong> chine,<br />
l’Espagne, l’Ethiopie, l’Egypte, l’In<strong>de</strong>, <strong>la</strong> Jordanie, le Maroc, le Mexique, <strong>la</strong><br />
Mauritanie, <strong>la</strong> Palestine, <strong>la</strong> Roumanie, le Soudan, <strong>la</strong> Turquie, l’U.S.A, et le<br />
Venezue<strong>la</strong>. L’analyse <strong>de</strong>s résultats obtenus en 1978 par <strong>la</strong> Fondation Nationale <strong>de</strong><br />
Science, Chen cité par [11] a noté que 10% <strong>de</strong> <strong>la</strong> popu<strong>la</strong>tion mondiale, risque d’être<br />
affectée par les dommages associés aux sols gonf<strong>la</strong>nts, et qu’aucun état n’est à l’abri<br />
<strong>de</strong>s conséquences et <strong>de</strong>s préjudices susceptibles d’en résulter.<br />
Aux U.S.A, le coût <strong>de</strong>s pertes annuelles occasionnés par le gonflement à été évalué<br />
à 2.3 milliards <strong>de</strong> dol<strong>la</strong>rs en 1973, <strong>de</strong> 7 à 9 milliards <strong>de</strong> dol<strong>la</strong>rs en 1986. En France le<br />
montant à été estimé à 2.3 milliard <strong>de</strong> dol<strong>la</strong>rs entre 1989 et 1992 [5].<br />
En Algérie, plusieurs cas <strong>de</strong> désordres très préjudiciables, liés au gonflement, ont<br />
été signalés dans plusieurs régions : <strong>la</strong> raffinerie <strong>de</strong> In Amenas, l’hôpital <strong>de</strong> N’Gaous<br />
(Batna), <strong>la</strong> ligne <strong>de</strong> chemin <strong>de</strong> fer Ramdane Djamel (Jijel), l’hôpital <strong>de</strong> Sidi Chahmi et<br />
<strong>la</strong> briqueterie <strong>de</strong> Mers El Kébir (Oran) HACHICHI et foureau. Groupement <strong>de</strong><br />
Tlemcen-Mansourah- Chetouane (Bekkouche et al.2001).<br />
La <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux a été étudiée par un grand nombre <strong>de</strong><br />
chercheurs. Beaucoup <strong>de</strong> métho<strong>de</strong>s et d'appareil<strong>la</strong>ges ont été mis au point, pour<br />
1
connaître l'influence <strong>de</strong> l'efficacité d'une solution ou d'un produit sur <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong><br />
d'un sol argileux. Quelques exemples sont cités concernant l'utilisation <strong>de</strong> produits<br />
<strong>chimique</strong>s servant à <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux.<br />
Rappelons que l’oedomètre est l’appareil c<strong>la</strong>ssique le plus utilisé dans les<br />
<strong>la</strong>boratoires <strong>de</strong> géotechnique pour les étu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> gonflement. Cependant, les<br />
procédures et les normes d’essais différents, ren<strong>de</strong>nt les comparaisons délicates.<br />
L’estimation <strong>de</strong>s caractéristiques du gonflement nécessite <strong>la</strong> disposition d’essais<br />
standards, à <strong>la</strong> fois simples, bien adaptés et surtout fiables.<br />
La problématique <strong>de</strong> ce mémoire est donc d’étudier <strong>la</strong> réponse <strong>de</strong>s sols argileux<br />
en contact avec une solution saline d’où sortirait l’idée <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s argiles<br />
comme axe principale <strong>de</strong> ma recherche.<br />
D’une manière générale, <strong>la</strong> démarche suivie dans ce mémoire s'inscrit dans le<br />
cadre d’une étu<strong>de</strong> expérimentale mais elle est également, dans une moindre mesure,<br />
théorique. Pour plus <strong>de</strong> c<strong>la</strong>rté, le p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> ce mémoire est organisé en six chapitres<br />
répartis en <strong>de</strong>ux parties avec <strong>de</strong>s annexes y afférents.<br />
La première partie est introductive et bibliographique. Elle est constituée <strong>de</strong> troisq<br />
chapitres. Le premier chapitre consiste à décrire le cadre général <strong>de</strong> l’impact du<br />
gonflement sur les ouvrages en géotechnique pour en préciser les désordres<br />
rencontrés et l’importance d’étudier <strong>de</strong> tels phénomènes. ainsi présente une<br />
approche générale du gonflement, c’est-à-dire les différents facteurs qui l'induisent.<br />
Ensuite, une étu<strong>de</strong> bibliographique en mentionnant l’état d’avancement <strong>de</strong>s<br />
recherches dans le domaine <strong>de</strong> <strong>la</strong> caractérisation <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts.<br />
Le <strong>de</strong>uxième chapitre s’attar<strong>de</strong> sur <strong>la</strong> présentation <strong>de</strong>s diverses approches<br />
traduisant les différents mécanismes du gonflement par <strong>de</strong>s expressions analytiques.<br />
Pour clore cette première partie, le troisième chapitre présente une étu<strong>de</strong><br />
bibliographique en mentionnant l’état d’avancement <strong>de</strong>s recherches dans le domaine<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts.<br />
La <strong>de</strong>uxième partie est uniquement expérimentale. Elle est composée <strong>de</strong> trois<br />
chapitres (4, 5 et 6).<br />
Dans le quatrième chapitre nous caractérisons dans une première étape nos<br />
matériaux par <strong>de</strong>s analyses minéralogiques et <strong>chimique</strong>s pour i<strong>de</strong>ntifier les minéraux<br />
argileux susceptibles <strong>de</strong> provoquer <strong>de</strong>s déformations volumiques importantes<br />
(notamment <strong>la</strong> montmorillonite) et par <strong>de</strong>s essais d’i<strong>de</strong>ntification c<strong>la</strong>ssiques (limites<br />
d’ATTERBERG, granulométrie, valeur <strong>de</strong> bleu…).Ces essais sont complétés par <strong>de</strong>s<br />
mesures directes <strong>de</strong> gonflement et <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.<br />
Le cinquième chapitre présente une étu<strong>de</strong> bibliographique en mentionnant l’état<br />
d’avancement <strong>de</strong>s recherches dans le domaine <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonf<strong>la</strong>nts <strong>de</strong>s<br />
2
argiles gonf<strong>la</strong>ntes avec les résultats que nous avons trouvés concernant l’évolution<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement pour nos argiles.<br />
Le chapitre six porte sur l’effet <strong>de</strong> différents sels et <strong>de</strong> leurs concentrations sur le<br />
gonflement afin d’en déduire d’une part <strong>de</strong>s solutions susceptibles d’inhiber le<br />
gonflement, et d’autre part <strong>de</strong> ne retenir que celles qui nous donnent un phénomène<br />
irréversible <strong>de</strong> ce <strong>de</strong>rnier.<br />
Une conclusion générale est donnée en fin <strong>de</strong> mémoire.<br />
3
CHAPITRE I<br />
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<br />
1 . I N T R O D U C T I O N 0<br />
Le terme d’ argiles désigne non seulement une formation rocheuse et <strong>la</strong> matière<br />
première qui en résulte et dont les caractéristiques sont présentées ci-après, mais il<br />
définit aussi un domaine granulométrique comprenant <strong>de</strong>s particules minérales, dont<br />
le diamètre <strong>de</strong>s grains est inférieur à <strong>de</strong>ux micromètres (< 2 µm).<br />
En tant que matière première brute, l’argile est donc un mé<strong>la</strong>nge <strong>de</strong> minéraux<br />
argileux et d’impuretés cristallines sous forme <strong>de</strong> débris rocheux <strong>de</strong> composition<br />
infiniment diverse.<br />
L’intérêt accordé ces <strong>de</strong>rnières années à l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s argiles par <strong>de</strong> nombreux<br />
<strong>la</strong>boratoires dans le mon<strong>de</strong> se justifient par leur abondance dans <strong>la</strong> nature,<br />
l’importance <strong>de</strong>s surfaces spécifiques qu’elles développent, <strong>la</strong> présence <strong>de</strong>s charges<br />
électriques sur cette surface et surtout l’échangeabilité <strong>de</strong>s cations interfoliaires. Ces<br />
<strong>de</strong>rniers, appelés aussi cations compensateurs, sont les principaux éléments<br />
responsables <strong>de</strong> l’hydratation, du gonflement, <strong>de</strong> <strong>la</strong> p<strong>la</strong>sticité et <strong>de</strong> <strong>la</strong> thixotropie, et<br />
ils confèrent à ces argiles <strong>de</strong>s propriétés hydrophiles. [10].<br />
Certains sols argileux changent <strong>de</strong> volume en fonction <strong>de</strong> leur teneur en eau et<br />
peuvent, <strong>de</strong> ce fait, créer <strong>de</strong>s désordres dans les ouvrages géotechniques.<br />
Le phénomène <strong>de</strong> gonflement dépend <strong>de</strong>s caractéristiques minéralogiques du<br />
matériau argileux et <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution d’hydratation. C’est pourquoi une<br />
<strong>de</strong>scription microscopique du phénomène est cruciale afin <strong>de</strong> bien comprendre le<br />
développement du gonflement.<br />
Dans un premier temps, une étu<strong>de</strong> détaillée sur l’impact du gonflement sur les<br />
ouvrages géotechniques, <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure, les caractéristiques et <strong>de</strong> <strong>la</strong> texture <strong>de</strong>s<br />
matériaux argileux.<br />
Après avoir décrit le phénomène <strong>de</strong> gonflement à l’échelle microscopique, les<br />
différents paramètres macroscopiques pouvant influencer le gonflement.<br />
Enfin, <strong>la</strong> <strong>de</strong>rnière partie du chapitre sera consacrée à l’anisotropie du<br />
gonflement et à l’anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
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<br />
G E O T E C H N I Q U E<br />
Le gonflement <strong>de</strong> certains sols ou <strong>de</strong> certaines roches sédimentaires constitue un<br />
phénomène très important en géotechnique car il est ‘a l’origine <strong>de</strong> nombreux<br />
dommages pour les ouvrages en surface et en souterrain.<br />
Ce phénomène, qui est prépondérant dans les matériaux argileux, dépend <strong>de</strong>s<br />
caractéristiques minéralogiques <strong>de</strong>s minéraux argileux et se déclenche lorsque le<br />
matériau est mis en contact avec l’humidité. Le gonflement est généralement<br />
accompagné d’un changement <strong>de</strong>s caractéristiques mécaniques et physico <strong>chimique</strong><br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> roche qui peut avoir une influence sur <strong>la</strong> durée <strong>de</strong> vie <strong>de</strong> l’ouvrage. Les<br />
conséquences du gonflement sont nombreuses et dépen<strong>de</strong>nt principalement <strong>de</strong><br />
chaque type d’ouvrage.<br />
2.1. OUVRAGES SUPERFICIELS<br />
Les ouvrages superficiels sujets au gonflement sont principalement les fondations<br />
et les murs <strong>de</strong> soutènement <strong>de</strong>s bâtiments. Parmi ces <strong>de</strong>rniers, les maisons<br />
individuelles construites sans mesures <strong>de</strong> précaution sur <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts<br />
présentent <strong>de</strong>s dégradations et <strong>de</strong>s fissures au niveau <strong>de</strong>s murs porteurs, <strong>de</strong>s murs<br />
<strong>de</strong> remplissage et <strong>de</strong>s fondations (radier, semelle superficielle ou fi<strong>la</strong>nte et les pieux).<br />
Les dommages touchent aussi les réseaux <strong>de</strong> drainage qui peuvent, par exemple,<br />
subir <strong>de</strong>s inversions <strong>de</strong> pente provoquant le débor<strong>de</strong>ment <strong>de</strong>s drains alimentant ainsi<br />
le phénomène <strong>de</strong> gonflement (P. Mouroux, P. Magron, et J.C), cité par [46] par<br />
ailleurs, <strong>de</strong>s réactions <strong>chimique</strong>s générées peuvent conduire à <strong>la</strong> sulfatation <strong>de</strong>s<br />
dalles <strong>de</strong> béton entraînant ainsi un gonflement additionnel apparent.<br />
Les principaux facteurs déclenchant le gonflement <strong>de</strong>s ouvrages superficiels sont<br />
les suivants :<br />
• Les facteurs climatiques (précipitations...),<br />
• La végétation,<br />
• L’hydrogéologie,<br />
• La topographie (pente, exposition),<br />
Les défauts <strong>de</strong> fondation et <strong>de</strong>s actions anthropiques (modification <strong>de</strong>s<br />
écoulements, imperméabilisation <strong>de</strong>s sols, drainage ou fuite <strong>de</strong> réseaux, pompage,<br />
sources <strong>de</strong> chaleur enterrées et p<strong>la</strong>ntation d’arbres).<br />
Les dégâts causés aux structures <strong>de</strong>s bâtiments reposant sur <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts<br />
ont été chiffrés à environ Aux U.S.A, le coût <strong>de</strong>s pertes annuelles occasionnés par le<br />
gonflement à été évalué à <strong>de</strong> 7 à 9 milliards <strong>de</strong> dol<strong>la</strong>rs en 1986. [5].<br />
Coût global en France : 3,3 milliards d’euros entre 1989 et 2002 (2ème poste après<br />
les inondations) [35].<br />
5
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
2 2 . OUVRAGES SOUTERRAINS<br />
Les ouvrages souterrains sujets au gonflement les plus communément répandus<br />
sont [46]:<br />
• Les tunnels,<br />
• Les puits pétroliers,<br />
• Les cavités <strong>de</strong> stockage <strong>de</strong>s déchets radioactifs,<br />
• Les monuments historiques.<br />
2.2.1. TUNNELS<br />
Les tunnels en milieu gonf<strong>la</strong>nt posent <strong>de</strong> très importantes difficultés aussi bien lors<br />
<strong>de</strong> leur construction qu’après leur mise en service.<br />
Les désordres caractéristiques qui affectent le plus souvent les tunnels localisés<br />
dans un milieu gonf<strong>la</strong>nt sont les suivants: (A. Robert et D. Fabre), cité par [46].<br />
• Soulèvement puis dislocation du radier (Fig. 1.1),<br />
• Bombement et convergence <strong>de</strong>s piédroits,<br />
• Pincement <strong>de</strong> <strong>la</strong> voûte en clé.<br />
Figure. 1.1 : Soulèvement puis dislocation du radier d’un tunnel (A. Robert et D. Fabre),<br />
cité par [46].<br />
2.2.2 PUITS PETROLIERS<br />
La boue <strong>de</strong> forage est un mé<strong>la</strong>nge complexe <strong>de</strong> divers produits <strong>chimique</strong>s.<br />
Elle joue un rôle à <strong>la</strong> fois physique, <strong>chimique</strong> et mécanique.<br />
Ses caractéristiques physiques et <strong>chimique</strong>s permettent d’assurer une bonne<br />
stabilité <strong>de</strong>s parois du puits, <strong>de</strong> refroidir et <strong>de</strong> lubrifier l’outil et le train <strong>de</strong> son<strong>de</strong> et <strong>de</strong><br />
transmettre <strong>la</strong> puissance hydraulique.<br />
6
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Les désordres causés par le gonflement <strong>de</strong>s puits pétroliers sont estimés à 500<br />
millions <strong>de</strong> dol<strong>la</strong>rs par an aux U.S.A (E. Van Oort, A.H. Hale, et F.K. Mody), cité par<br />
[46].<br />
Actuellement, les industries pétrolières cherchent à bien choisir <strong>la</strong> température et<br />
<strong>la</strong> nature <strong>de</strong> <strong>la</strong> boue <strong>de</strong> forage (concentration et nature <strong>de</strong>s cations) pour réduire <strong>la</strong><br />
réactivité <strong>de</strong> <strong>la</strong> roche. L’utilisation <strong>de</strong> l’huile minimise le gonflement en assurant <strong>la</strong><br />
stabilité du puits mais elle a malheuresement pour conséquence d’engendrer <strong>de</strong><br />
graves problèmes environnementaux. [46].<br />
2.2.3 Cavités <strong>de</strong> stockage <strong>de</strong>s déchets radioactifs<br />
Depuis quelques années, il est <strong>de</strong>venu nécessaire <strong>de</strong> trouver <strong>de</strong>s moyens pour<br />
gérer ‘a long terme les déchets radioactifs, <strong>de</strong> haute et moyenne activité, issus <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
production d’énergie nucléaire et <strong>de</strong> l’industrie en général. [46].<br />
Une <strong>de</strong>s solutions envisagées par plusieurs pays est le stockage en formations<br />
argileuses profon<strong>de</strong>s.<br />
L’objectif <strong>de</strong> cette solution est d’isoler les déchets <strong>de</strong> <strong>la</strong> biosphère par trois<br />
barrières (Fig. 1.2) :<br />
• Un conteneur métallique ou en béton afin <strong>de</strong> noyer les déchets,<br />
• Une barrière ouvragée (BO) constituée d’argile gonf<strong>la</strong>nte fortement compactée<br />
p<strong>la</strong>cée autour <strong>de</strong>s colis,<br />
• La couche hôte d’argilite assurant une sécurité à long terme.<br />
Figure. 1.2 : Les trois barrières <strong>de</strong> protection selon l’ANDRA Agence Nationale pour <strong>la</strong><br />
gestion <strong>de</strong>s Déchets Radioactifs, cité par [46].<br />
Les argilites contiennent une quantité élevée <strong>de</strong> minéraux argileux fortement<br />
gonf<strong>la</strong>nts et sont susceptibles d’agir avec le changement du <strong>de</strong>gré d’hygrométrie<br />
et <strong>de</strong> température.<br />
Différentes réactions chimico-mécaniques, hygro-mecaniques et thermomecaniques<br />
peuvent être observées. Ces réactions favorisent <strong>la</strong> formation <strong>de</strong><br />
7
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
fissures perturbant par <strong>la</strong> suite le comportement mécanique et hydraulique et<br />
accroissant <strong>la</strong> possibilité future <strong>de</strong> transmission <strong>de</strong>s radionucléi<strong>de</strong>s.<br />
Le phénomène le plus apparent jusqu’‘a maintenant est l’ouverture et <strong>la</strong> fermeture<br />
<strong>de</strong> fissures localisées autour <strong>de</strong> l’excavation dans <strong>la</strong> zone endommagée EDZ<br />
(Excavation Disturbed Zone) qui sont dues aux variations saisonnières <strong>de</strong><br />
l’hygrométrie.<br />
Le stockage futur <strong>de</strong>s colis va créer <strong>de</strong>s variations thermiques favorisant <strong>la</strong><br />
désaturation <strong>de</strong>s argilites et pouvant être responsable <strong>de</strong> l’é<strong>la</strong>rgissement <strong>de</strong> <strong>la</strong> zone<br />
endommagée.<br />
S’il y a présence <strong>de</strong> l’eau, il y a gonflement et ouverture <strong>de</strong>s fissures dans <strong>la</strong><br />
couche d’argilite, réduction d’espace poral dans <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> bentonite compactée<br />
du fait du gonflement empêché et perturbations alcalines dans le béton.<br />
Le problème rési<strong>de</strong> dans <strong>la</strong> détermination et l’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong> plusieurs<br />
phénomènes (<strong>chimique</strong>s, physiques et mécaniques) ayant chacun <strong>de</strong>s influences les<br />
uns par rapport aux autres. [46].<br />
2.2.4 Monuments historiques<br />
Les monuments historiques peuvent être endommagés par le gonflement du<br />
terrain qui les encaissent ou sur lesquels ils reposent. Plusieurs exemples<br />
égyptiens illustrent ces situations, tels que le serapeum (Saqqarah), le temple<br />
d’Hatshepsout (Louxor) et le grand Temple <strong>de</strong> Deir El-Bahary [46].<br />
Des décollements du toit, <strong>de</strong>s chutes <strong>de</strong> blocs et l’apparition <strong>de</strong> fissures, ainsi<br />
que l’effondrement <strong>de</strong>s murs, ont été observées au niveau <strong>de</strong>s zones <strong>de</strong> contact<br />
<strong>de</strong> ces monuments avec <strong>de</strong>s couches argileuses.<br />
3 . L E S A R G I L E S<br />
Les argiles sont très abondantes dans <strong>la</strong> nature et couvrent environ 42 % du<br />
volume <strong>de</strong> l’écorce terrestre D. Levêque, cité Par [46]. Elles peuvent être c<strong>la</strong>ssées en<br />
<strong>de</strong>ux gran<strong>de</strong>s catégories :<br />
• Les argiles p<strong>la</strong>stiques : elles sont tendres et très déformables,<br />
• Les argiles rai<strong>de</strong>s : elles sont indurées et présentent un comportement plus<br />
fragile que ductile au-<strong>de</strong>là <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite d’é<strong>la</strong>sticité, et ce, à cause <strong>de</strong> <strong>la</strong> présence<br />
<strong>de</strong>s carbonates et du quartz.<br />
A l’échelle microscopique, les argiles sont formées par l’assemb<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> particules<br />
<strong>de</strong> taille inférieure à 2 µm chargées négativement comme <strong>la</strong> smectite, l’illite et <strong>la</strong><br />
kaolinite. La présence <strong>de</strong> tels minéraux rend l’argile fortement sensible aux<br />
molécules po<strong>la</strong>ires d’eau. Cette sensibilité se traduit par le gonflement, le retrait et le<br />
changement <strong>de</strong>s propriétés mécaniques.<br />
8
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
C’est <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau qui est le facteur déclenchant <strong>de</strong>s variations<br />
<strong>de</strong> volume. Une augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau entraîne le phénomène <strong>de</strong><br />
gonflement tandis que sa diminution induit le phénomène <strong>de</strong> retrait.<br />
La variation du volume <strong>de</strong>s argiles est fortement influencée par <strong>de</strong>s facteurs<br />
microscopiques et macroscopiques. A l’échelle microscopique, ces facteurs sont<br />
complexes et dépen<strong>de</strong>nt principalement <strong>de</strong>s propriétés minéralogiques <strong>de</strong>s<br />
matériaux argileux et <strong>de</strong>s propriétés <strong>chimique</strong>s du flui<strong>de</strong> hydratant.<br />
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<br />
E L E M E N T A I R E 0 9<br />
Le feuillet élémentaire <strong>de</strong> <strong>la</strong> montmorillonite est formé par une couche octaédrique<br />
comprise entre <strong>de</strong>ux couches tétraédriques (Figure 1.3). [10].<br />
Figure 1.3 : Structure <strong>de</strong> <strong>la</strong> montmorillonite (Grim, 1968), cité par [10].<br />
Les nombreux minéraux argileux et groupes <strong>de</strong> minéraux argileux se<br />
différencient d’abord par l’empilement et le déca<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> leurs feuillets<br />
élémentaires, ainsi que par <strong>la</strong> substitution <strong>de</strong>s atomes isomorphes dans le réseau<br />
cristallin. Ainsi, dans les bei<strong>de</strong>llites, les silicium Si 4+ sont partiellement substitués<br />
par <strong>de</strong>s aluminium Al 3+ et les aluminium Al 3+ par <strong>de</strong>s magnésium Mg 2+ . La<br />
9
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
cohésion <strong>de</strong>s couches élémentaires est assurée par les forces (assez faibles) <strong>de</strong><br />
Van <strong>de</strong>r Waals et <strong>de</strong>s liaisons hydrogène dans le cas <strong>de</strong> <strong>la</strong> kaolinite.<br />
Tableau1.1 : Schéma simplifié montrant <strong>la</strong> c<strong>la</strong>ssification <strong>de</strong>s principaux groupes <strong>de</strong><br />
minéraux argileux et <strong>de</strong> leurs espèces (Jasmund et Lagaly, 1992), cité par [10].<br />
Du fait <strong>de</strong> <strong>la</strong> substitution <strong>de</strong>s ions Si 4+ par les ions Al 3+ dans <strong>la</strong> couche<br />
tétraédrique (illite et bei<strong>de</strong>llite) et les ions Al 3+ par <strong>de</strong>s ions <strong>de</strong> valences<br />
inférieures comme Mg 2+ dans <strong>la</strong> couche octaédrique (montmorillonite), <strong>de</strong>s<br />
charges non compensées sont produites entre les feuillets et sont responsables à<br />
80% <strong>de</strong> <strong>la</strong> capacité d’échange cationique (CEC). L’équilibre <strong>de</strong>s charges n’est pas<br />
atteint et <strong>la</strong> neutralité électrique sera alors assurée par <strong>de</strong>s cations<br />
compensateurs (Na + , K + , Ca 2+ ,..) qui servent <strong>de</strong> lien entre les feuillets. [10].<br />
L’illite et <strong>la</strong> montmorillonite ont <strong>la</strong> même structure cristalline mais elles diffèrent<br />
par le type et le nombre <strong>de</strong> substitutions. L’espace entre les feuillets est plus<br />
important chez <strong>la</strong> montmorillonite que chez l’illite où <strong>de</strong>s ions K + plus gros se<br />
10
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
trouvent très proches <strong>de</strong>s points <strong>de</strong> substitution et sont soli<strong>de</strong>ment insérés entre<br />
les feuillets et empêchent par conséquent le gonflement <strong>de</strong> cette argile.<br />
Les minéraux ayant <strong>de</strong> faibles déficits <strong>de</strong> charges et <strong>de</strong>s cations échangeables<br />
<strong>de</strong> valences variables ne présentent qu’une faible attraction <strong>de</strong> feuillet en feuillet,<br />
ceci facilite <strong>la</strong> pénétration <strong>de</strong>s molécules H2O entre les feuillets en les écartant.<br />
Ainsi, les cations compensateurs sont mobilisables par <strong>de</strong>s échanges réversibles<br />
avec les cations <strong>de</strong>s solutions mises en contact avec l’argile. [10].<br />
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<br />
D E S M I N E R A U X A R G I L E U X<br />
Les principales caractéristiques <strong>de</strong>s minéraux argileux qui influencent le<br />
gonflement sont les suivantes :<br />
3.2.1 LA DENSITE DE CHARGE SPECIFIQUE : σ est égale au rapport entre <strong>la</strong><br />
capacité d’échange cationique CEC et <strong>la</strong> surface spécifique S <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule<br />
argileuse [46].<br />
2 ( / m )<br />
σ meq =<br />
CEC<br />
s<br />
Deux types <strong>de</strong> charge existent dans les milieux argileux :<br />
(1.1)<br />
une charge permanente ou structurelle liée aux substitutions ioniques (Al3+<br />
pour Si4+ dans <strong>la</strong> couche tétraédrique ; Mg 2+ ou Fe 2+ pour Al 3+ dans <strong>la</strong> couche<br />
octaédrique),une charge <strong>de</strong> surface variable selon le pH du milieu liée aux<br />
réactions <strong>chimique</strong>s qui se produisent à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong>s minéraux.<br />
La <strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge spécifique renseigne sur le pouvoir <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule à<br />
repousser les autres, cette répulsion étant <strong>la</strong> capacité <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s minéraux<br />
argileux.<br />
L’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge spécifique réduit le gonflement ou <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s matériaux argileux. Cette augmentation entraîne<br />
l’attraction <strong>de</strong>s ions, ce qui va provoquer une con<strong>de</strong>nsation <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche,<br />
donc une diminution <strong>de</strong> son épaisseur.[46]. Aussi selon [23] plus cette<br />
concentration est élevée, plus <strong>la</strong> couche est mince ou comprimée donc induit une<br />
diminution <strong>de</strong> gonflement.<br />
3.2.2 La capacité d’échange cationique (CEC)<br />
Mesure <strong>la</strong> capacité d’une argile à échanger <strong>de</strong>s cations. Elle est exprimée en<br />
milliéquivalent par 100 grammes d’argiles et varie dans le même sens que <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité<br />
<strong>de</strong> charge surfacique. Donc, pour les argiles ayant une valeur élevée <strong>de</strong> CEC, elles<br />
ont tendance à peu gonfler, et ce<strong>la</strong> à surfaces spécifiques égales (I. Lefevbre et A.<br />
Lajudie), cité par [46].<br />
11
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
3.2.3 La surface spécifique : <strong>de</strong>s argiles est composée <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface externe<br />
comprise entre les particules et <strong>la</strong> surface interne correspondant à l’espace<br />
interfoliaire. L’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface spécifique donne un pouvoir <strong>de</strong> gonflement<br />
plus important et par conséquent un potentiel <strong>de</strong> gonflement plus élevé [46].12<br />
Les caractéristiques <strong>de</strong> ces argiles sont résumées dans le tableau 1.2.<br />
3.3 TEXTURE DES ARGILES<br />
Tableau 1.2 : Caractéristiques <strong>de</strong>s argiles [13].<br />
La texture <strong>de</strong>s minéraux argileux dépend du mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> sédimentation et <strong>de</strong> l’état<br />
<strong>de</strong> consolidation. Une roche argileuse qui présente une organisation serrée et<br />
orientée <strong>de</strong>s particules d’argiles n’a pas le même gonflement qu’un sol argileux<br />
dont <strong>la</strong> sédimentation a été rapi<strong>de</strong> et récente et pour lequel <strong>la</strong> distance entre les<br />
p<strong>la</strong>quettes est maximale. Cette organisation <strong>de</strong>s minéraux argileux est <strong>la</strong><br />
principale cause du gonflement anisotrope. [46].<br />
Les matériaux argileux ne sont pas uniquement composés <strong>de</strong>s argiles. Au sein<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> fraction argileuse, plusieurs types <strong>de</strong> minéraux peuvent coexister. La<br />
texture <strong>de</strong>s matériaux argileux se superpose donc aux organisations <strong>de</strong>s autres<br />
minéraux non argileux. Cette hétérogénéité rend <strong>la</strong> structure et <strong>la</strong> texture<br />
extrêmement complexes, surtout lorsque les minéraux argileux sont cimentés par<br />
d’autres minéraux carbonatés. [46].<br />
Les observations microscopiques effectuées par Montes et al, cité Par [46] sur<br />
les argilites, subissant <strong>de</strong>s cycles d’humidification <strong>de</strong>ssiccation, confirment <strong>de</strong>s<br />
fracturations le long <strong>de</strong>s surfaces localisées à proximité <strong>de</strong>s matériaux rigi<strong>de</strong>s non<br />
gonf<strong>la</strong>nts (Figure. 1.4).<br />
12
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure. 1.4 : Ouverture <strong>de</strong>s fissures en proximité <strong>de</strong>s matériaux rigi<strong>de</strong>s Montes et al, cité<br />
par [46].<br />
L’évolution <strong>de</strong> <strong>la</strong> microtexture en fonction <strong>de</strong> l’hydratation peut être observée à<br />
l’ai<strong>de</strong> du microscope électronique à ba<strong>la</strong>yage (M.E.B.) ou <strong>de</strong> <strong>la</strong> tomographie à<br />
rayons X (M. Gasc-Barbier,H. Freissmuth et X. Daupley) cité Par [46].<br />
La figure 1.5 présente <strong>de</strong>s images <strong>de</strong> ces argiles prises au microscope<br />
électronique à ba<strong>la</strong>yage Les observations au microscope électronique à ba<strong>la</strong>yage<br />
permettant d’analyser l’évolution <strong>de</strong> <strong>la</strong> texture au cours du gonflement montrent que,<br />
pour <strong>la</strong> kaolinite, le gonflement est uniquement <strong>de</strong> type inter-agrégats, au niveau <strong>de</strong>s<br />
pores interstitiels alors que pour les smectites, le gonflement est <strong>de</strong> type intraagrégats,<br />
c’est-à-dire entre les feuillets. [13].<br />
Figure 1.5 : Photographies au Microscope Electronique à Ba<strong>la</strong>yage <strong>de</strong>s argiles (Mitchell,<br />
1976), cite par [13].<br />
Ces observations microscopiques confirment une nouvelle organisation <strong>de</strong>s<br />
feuillets argileux qui se manifeste par un écartement parallèle observable dans le<br />
cas <strong>de</strong>s roches argileuses ou par un effet combiné d’un écartement et d’une<br />
rotation comme c’est le cas pour les sols argileux non indurés. [46].<br />
Globalement, le pourcentage en minéraux gonf<strong>la</strong>nts, les carbonates, les<br />
minéraux non gonf<strong>la</strong>nts d’une part, et <strong>la</strong> nature <strong>de</strong> <strong>la</strong> consolidation d’autre part,<br />
présentent une influence notable sur le gonflement, le retrait et le changement<br />
<strong>de</strong>s propriétés mécaniques. [46].<br />
13
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
3.4. CATIONS ECHANGEABLES<br />
Les substitutions isomorphes <strong>de</strong> Al 3+ par Mg 2+ à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong>s feuillets<br />
entraînent un excès <strong>de</strong> charge négative. Pour assurer l’électroneutralité, ce<br />
déficit <strong>de</strong> charge est compensé par <strong>de</strong>s cations Ca 2+ ou Na + . Les montmorillonites<br />
compensées par <strong>de</strong>s cations Ca 2+ sont appelées <strong>de</strong>s montmorillonites calciques.<br />
Lorsqu’elles sont compensées par <strong>de</strong>s cations Na + , elles sont appelées <strong>de</strong>s<br />
montmorillonites sodiques. [46].<br />
Ces cations échangeables se fixent à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong>s feuillets et assurent <strong>la</strong><br />
liaison entre eux. L’intensité <strong>de</strong> ces liaisons dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence <strong>de</strong> ces cations.<br />
A titre d’exemple, <strong>la</strong> valence <strong>de</strong>s cations <strong>de</strong> sodium Na+ est plus faible que celle<br />
<strong>de</strong>s cations <strong>de</strong> calcium Ca 2+ , c’est pour cette raison que <strong>la</strong> montmorillonite<br />
sodique aura un gonflement plus élevé, ce qui est propice à <strong>la</strong> fixation <strong>de</strong>s<br />
molécules d’eau et <strong>de</strong>s cations entre ces feuillets. [46].<br />
En effet, <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> gonflement peuvent se produire au sein <strong>de</strong>s matériaux<br />
argileux :<br />
• Le gonflement intraparticu<strong>la</strong>ire ou interfoliaire,<br />
• Le gonflement interparticu<strong>la</strong>ire.<br />
3.5. GONFLEMENT INTERFOLIAIRE ET INTERPARTICULAIRE<br />
L’analyse minéralogique montre que certaines argiles, pour lesquelles les<br />
liaisons interfeuillets sont très faibles, ont <strong>la</strong> propriété <strong>de</strong> fixer les molécules d’eau<br />
entre <strong>de</strong>ux feuillets voisins (c’est le cas <strong>de</strong> smectites telles que <strong>la</strong> montmorillonite,<br />
et <strong>de</strong> certaines chlorites). L’eau pénètre à l’intérieur <strong>de</strong>s particules et s’organise<br />
en couches monomolécu<strong>la</strong>ires, il s’agit alors d’un gonflement intraparticu<strong>la</strong>ire ou<br />
interfoliaire (Didier, 1972), cite par [13]. Il intervient à l’échelle <strong>la</strong> plus petite <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
structure argileuse mais peut présenter une ampleur très importante.<br />
En <strong>de</strong>hors <strong>de</strong> ce cas particulier, qui définit les argiles dites “gonf<strong>la</strong>ntes”, le<br />
gonflement est interparticu<strong>la</strong>ire, c’est-à-dire que l’eau ne pénètre pas à l’intérieur<br />
<strong>de</strong>s particules d’argiles. Ce gonflement interparticu<strong>la</strong>ire, contrairement au<br />
gonflement interfoliaire, a une ampleur assez limitée, mais affecte toutes les<br />
argiles. [13].<br />
4 . D I F F E R E N T S T Y P E S D ’ E A U<br />
Le caractère dipo<strong>la</strong>ire <strong>de</strong> <strong>la</strong> molécule d’eau lui confère <strong>la</strong> propriété d’être attirée<br />
par l’intermédiaire <strong>de</strong> ses extrémités positives à <strong>la</strong> surface négative <strong>de</strong>s minéraux<br />
argileux. Cette attraction modifie les propriétés hydrodynamiques <strong>de</strong> l’eau et ce<strong>la</strong><br />
dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance entre les molécules d’eau et <strong>la</strong> surface argileuse. [46].<br />
Trois types d’eau, existant dans <strong>la</strong> matrice argileuse, peuvent entre distingués :<br />
14
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
4.1. L’EAU LIBRE: remplissant les macropores entre les particules : elle peut être<br />
éliminée par séchage à l’étuve à une température <strong>de</strong> 105 °C. [46].<br />
4.2. L’EAU LIEE : occupant les espaces interfeuillets par <strong>de</strong>s interactions <strong>chimique</strong>s<br />
et électriques : elle a besoin d’une température élevée <strong>de</strong> 200 °C pour être<br />
évacuée. [46].<br />
Sa <strong>de</strong>nsité et surtout sa viscosité sont plus élevées que celles <strong>de</strong> l’eau libre. Sa<br />
quantité totale dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface spécifique, <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge et <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
capacité d’échange cationique <strong>de</strong>s minéraux argileux.<br />
4.3. L’EAU CRISTALLINE : se situe au niveau <strong>de</strong>s feuillets argileux et a besoin<br />
d’une température <strong>de</strong> 550 °C pour être éliminée. [46 ].<br />
Le changement <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau liée et cristalline peut être le seul facteur <strong>de</strong><br />
changement <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure interne du matériau argileux (M.R. Santos, A. Diek, J.C.<br />
Roegiers, et A.B. Fantoura), cité par [46]. Ces trois types d’eau sont influencés par <strong>la</strong><br />
nature <strong>de</strong>s minéraux argileux et par le chimisme <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution d’hydratation.<br />
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 )<br />
E T C A T I O N S A L C A L I N S<br />
D’après <strong>la</strong> structure <strong>de</strong>s argiles (smectites) décrite précé<strong>de</strong>mment, il existe trois<br />
types <strong>de</strong> sites d’adsorption pour les cations. La surface externe <strong>de</strong>s particules<br />
d’argile se compose <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface basale, négativement chargée, et <strong>de</strong>s bordures<br />
<strong>de</strong>s particules, constituées <strong>de</strong> sites acido-basiques. Un troisième site est accessible<br />
aux cations : il s’agit <strong>de</strong> l’espace interfoliaire, sous réserve que <strong>la</strong> distance entre<br />
feuillets soit suffisante. [39].<br />
5.1 INFLUENCE DE LA NATURE DES CATIONS ALCALINS<br />
5.1.1 Sur <strong>la</strong> force <strong>de</strong> l’interaction avec <strong>la</strong> surface<br />
Les particules argileuses, chargées négativement, possè<strong>de</strong>nt une gran<strong>de</strong> aire<br />
<strong>de</strong> surface qui leur permet d’interagir fortement entre elles, par <strong>de</strong>s phénomènes<br />
essentiellement électrostatiques. Le mo<strong>de</strong> d’interaction entre ces particules<br />
dépend notablement <strong>de</strong>s cations compensateurs en présence. La force <strong>de</strong> liaison<br />
<strong>de</strong>s cations avec <strong>la</strong> surface argileuse dépend quant à elle <strong>de</strong> l’énergie<br />
d’hydratation du cation, <strong>de</strong> sa taille ionique, <strong>de</strong> sa charge et <strong>de</strong> sa po<strong>la</strong>risabilité.<br />
Pour une montmorillonite, <strong>la</strong> force d’interaction <strong>de</strong>s principaux ions inorganiques<br />
avec <strong>la</strong> surface augmente selon l’ordre suivant : Li + < Na + < K + < Rb + < Ca 2+ < Cs +<br />
La capacité d’un cation à s’échanger à <strong>la</strong> surface négative <strong>de</strong>s argiles augmente<br />
lorsque son rayon hydraté diminue et que sa po<strong>la</strong>risabilité augmente, lorsque sa<br />
charge augmente, et lorsque sa capacité à s’hydrater diminue. [39].<br />
5.1.2 Sur <strong>la</strong> sélectivité <strong>de</strong> l’échange<br />
15
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
La rétention irréversible <strong>de</strong> cations, c’est-à-dire leur fixation, peut parfois<br />
résulter en un comportement anormal <strong>de</strong> l’échange ionique. Pour <strong>la</strong><br />
montmorillonite, <strong>de</strong> telles fixations ont par exemple pu être observées dans le<br />
cas du potassium et du césium, cité par [39]. La fixation <strong>de</strong> ces ions entraîne<br />
en général un écrasement <strong>de</strong>s feuillets, qui sont alors soli<strong>de</strong>ment liés entre<br />
eux, l’interfeuillet <strong>de</strong>venant inaccessible à tout échange ionique et également à<br />
l’adsorption d’eau. Dans ce cas, l’ordre établi pour les échanges ioniques se<br />
trouve inversé, et ce sont les cations dont les rayons non hydratés sont les<br />
plus faibles qui parviennent à pénétrer l’espace interfeuillet et à s’échanger<br />
avec les cations fixés. Une fois dans l’interfeuillet, ces nouveaux cations<br />
peuvent s’hydrater et séparer les feuillets, permettant ainsi l’échange d’autres<br />
cations fixés. Ainsi, les smectites présentent une forte sélectivité pour le<br />
césium et le potassium comparativement aux autres cations. Cette sélectivité<br />
est contrôlée par <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge <strong>de</strong>s surfaces basales et l’aire <strong>de</strong>s<br />
bordures <strong>de</strong>s particules, [39]. Ainsi, l’illite présente, du fait <strong>de</strong> sa plus forte<br />
<strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge, une meilleure sélectivité pour Cs + et K + que les smectites.<br />
5.1.3 Les facteurs régissant le mo<strong>de</strong> d’interaction <strong>de</strong>s ions avec <strong>la</strong><br />
surface <strong>de</strong> l’argile<br />
D’après [39], les interactions entre cations inorganiques et surfaces argileuses<br />
dépen<strong>de</strong>nt <strong>de</strong> quatre facteurs : (1) le rayon <strong>de</strong>s cations non hydratés, (2) <strong>la</strong><br />
charge <strong>de</strong>s cations, (3) leur énergie d’hydratation, (4) les interactions spécifiques.<br />
Plus les <strong>de</strong>ux premiers paramètres sont élevés et plus le troisième est faible, plus<br />
les interactions sont fortes. Ces trois premiers facteurs sont généralement à<br />
l’origine <strong>de</strong> liaisons fortes entre un cation et une surface négativement chargée.<br />
Le quatrième est plus caractéristique d’interactions spécifiques entre un cation et<br />
une argile donnée.<br />
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<br />
M I L I E U A Q U E U X<br />
La structure cristalline <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>mi-maille <strong>de</strong>s feuillets <strong>de</strong> montmorillonite<br />
présente <strong>de</strong>s substitutions créant un déficit électronique compensé par <strong>de</strong>s<br />
cations hydratés qui maintiennent l’électroneutralité. La popu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> ces<br />
<strong>de</strong>rniers peut être séparée en <strong>de</strong>ux couches d’après Israe<strong>la</strong>chvili cité par [23]: une<br />
couche <strong>de</strong> cations immobiles liés à <strong>la</strong> surface, appelée couche <strong>de</strong> Stern, et une<br />
couche mobile proche <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface, moins <strong>de</strong>nse, appelée couche diffuse, <strong>la</strong><br />
limite entre ces <strong>de</strong>ux couches étant appelée p<strong>la</strong>n d’Helmholtz ou p<strong>la</strong>n <strong>de</strong><br />
cisaillement.<br />
16
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure 1.6: Représentation schématique <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche électrique et <strong>de</strong> l’évolution<br />
du potentiel électrique en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule à <strong>la</strong> solution, d’après<br />
Israe<strong>la</strong>chvili cité par [23].<br />
Cette double couche électrique <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule en suspension présente une<br />
concentration en cation décroissante à mesure que l’on s’éloigne <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface du<br />
feuillet.<br />
Au voisinage <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface, <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> Stern <strong>de</strong>nse en cation repousse les<br />
anions par l’intermédiaire d’une force électrostatique, il existe aussi une différence<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>nsité anionique, mais cette fois, <strong>la</strong> concentration est décroissante à mesure<br />
que l’on s’approche <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface <strong>de</strong>s feuillets. Cette différence locale <strong>de</strong><br />
concentration entre anions et cations crée un potentiel électrique, qui varie en<br />
fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule. Ce potentiel ψ0 est maximum à<br />
<strong>la</strong> surface du feuillet et décroît linéairement dans <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> Stern (Figure1.6).<br />
Expérimentalement, il n’est pas mesurable et seul le potentiel ζ au p<strong>la</strong>n<br />
d’Helmholtz peut être mesuré. Ensuite, à mesure que l’on s’éloigne du feuillet, ce<br />
potentiel décroît <strong>de</strong> façon exponentielle, en suivant l’équation <strong>de</strong> Gouy-Chapman,<br />
et à une distance infinie, ce potentiel s’annule puisqu’en solution,<br />
l’électroneutralité est respectée.<br />
Luckham et al, cité Par [23].se sont intéressés à l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double<br />
couche électrique, et ils ont défini les paramètres influant sur cette épaisseur. Ils<br />
ont retrouvé ces paramètres au travers du paramètre K <strong>de</strong> l’équation <strong>de</strong> Gouy-<br />
Chapman (Equation 1.2).<br />
(1.2)<br />
17
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Equation (1 2) : Variation du potentiel électrique en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance à <strong>la</strong><br />
surface <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule et du milieu selon <strong>la</strong> théorie <strong>de</strong> Gouy-Chapman, cité par [23].<br />
L’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche électrique dépend donc essentiellement <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
valence <strong>de</strong>s anions et <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration en électrolyte du milieu : plus cette<br />
concentration est élevée, plus <strong>la</strong> couche est mince ou comprimée. [23].<br />
L’extrémité <strong>de</strong>s feuillets semble aussi possé<strong>de</strong>r une double couche électrique,<br />
mais <strong>de</strong> nature différente <strong>de</strong> celle décrite précé<strong>de</strong>mment. Cette double couche est<br />
due à l’adsorption d’ions sur les liaisons pendantes <strong>de</strong>s structures octaédriques et<br />
tétraédriques <strong>de</strong>s cristaux constituant les feuillets et dépend du pH <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution<br />
[23].<br />
La Figure1.7 présente le potentiel d’interaction en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance interparticu<strong>la</strong>ire.<br />
Ce potentiel passe par un maximum Ψmax correspondant à une<br />
barrière énergétique ; cette valeur va déterminer <strong>la</strong> stabilité <strong>de</strong> <strong>la</strong> suspension.<br />
Figure1.7 : Potentiel d’interaction en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance entre particules, cité par<br />
[23].<br />
Sur cette Figure 1.7 sont représentés trois cas distincts, fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration ionique du milieu :<br />
• La courbe A correspond au cas <strong>de</strong> faibles forces ioniques. Quelle que soit <strong>la</strong><br />
distance inter-particu<strong>la</strong>ire, le potentiel répulsif est supérieur au potentiel attractif ;<br />
18
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
les particules se repoussent mutuellement et <strong>la</strong> suspension est dispersée. Plus le<br />
maximum primaire Ψmax est élevé, plus <strong>la</strong> suspension est stable.<br />
• La courbe B présente le cas <strong>de</strong> forces ioniques intermédiaires. Le potentiel<br />
d’interaction passe par un potentiel maximum primaire Ψmax et un potentiel<br />
minimum secondaire Ψsec. Lorsque les particules sont localisées dans ce<br />
minimum secondaire, elles sont stables et floculées. Si ce minimum n’est pas très<br />
profond (-Ψsec/kT~1) l’état <strong>de</strong> flocu<strong>la</strong>tion est réversible, alors que si il est plus<br />
profond (-Ψsec/kT>20), <strong>la</strong> suspension est fortement floculée.<br />
• Lorsque les forces ioniques sont élevées, courbe C, le potentiel ne présente<br />
pas <strong>de</strong> maximum, les particules sont floculées <strong>de</strong> façon irréversible. La distance<br />
inter particu<strong>la</strong>ire correspond au minimum du potentiel primaire Ψmin, et les<br />
particules sont coagulées.<br />
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<br />
La recherche bibliographique a permis <strong>de</strong> mettre en évi<strong>de</strong>nce quatre principaux<br />
phénomènes expliquant les causes du gonflement :<br />
• Hydratation par adsorption,<br />
• Hydratation par osmose,<br />
• Hydratation par capil<strong>la</strong>rité,<br />
• Transformations <strong>chimique</strong>s.<br />
6.1 HYDRATATION PAR ADSORPTION<br />
Les argiles sont principalement caractérisées par un déséquilibre électrique dû<br />
à une substitution isomorphe <strong>de</strong> cations dans <strong>la</strong> structure octaédrique <strong>de</strong>s<br />
feuillets. Il en résulte alors <strong>la</strong> formation <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse due à <strong>la</strong><br />
fixation <strong>de</strong>s cations échangeables qui s’installent à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong>s feuillets du fait<br />
<strong>de</strong>s forces électrostatiques qui sont les suivantes [46].<br />
6.1.1 Forces d’attractions<br />
Généralement causées par les forces <strong>de</strong> Van Der Waals entre les feuillets voisins,<br />
6.1.2 Forces <strong>de</strong> répulsion<br />
Ayant plusieurs composantes (interaction <strong>de</strong>s doubles couches associées aux<br />
<strong>de</strong>ux feuillets, énergie d’hydratation <strong>de</strong>s cations compensateurs).<br />
Ces <strong>de</strong>ux forces décroissent rapi<strong>de</strong>ment avec <strong>la</strong> distance interparticu<strong>la</strong>ire.<br />
Quant à <strong>la</strong> force <strong>de</strong> répulsion, elle diminue également avec l’augmentation <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> concentration en électrolytes (Figure. 1.8).<br />
Les variations <strong>de</strong> concentrations en cations et en anions dans <strong>la</strong> double couche<br />
diffuse sont déterminées à partir <strong>de</strong> l’équation <strong>de</strong> Poisson-Boltzmann et sont<br />
19
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
présentées sur <strong>la</strong> figure (1.9). A proximité <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface chargée, <strong>la</strong> concentration en<br />
cations est plus élevée que celle en anions.<br />
Theng, cité par [46], affirme que le gonflement est d’autant plus élevé que les<br />
potentialités <strong>de</strong> développement <strong>de</strong>s doubles couches sont importantes. Cette<br />
double couche dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature <strong>de</strong>s minéraux argileux et <strong>de</strong>s cations<br />
compensateurs.<br />
Les cations sont liés aux feuillets par <strong>de</strong>s forces <strong>de</strong> nature électrostatique et<br />
possè<strong>de</strong>nt <strong>la</strong> propriété d’être échangeables. Cette facilité d’échange sera aussi un<br />
facteur influant sur le gonflement.<br />
Le c<strong>la</strong>ssement général admis est le suivant M. Iltis, cité par [46].<br />
Li + Na + NH 4+ K + Mg 2+ Ca 2+ Al 3+<br />
D’après cette série, le lithium est le plus facile à remp<strong>la</strong>cer alors que l’aluminium<br />
est le plus difficile.<br />
6 . 2 HYDRATATION PAR OSMOSE<br />
Lorsqu’une solution saline est séparée <strong>de</strong> l’eau pure par une membrane semiperméable<br />
idéale (permettant uniquement le passage <strong>de</strong>s molécules d’eau mais<br />
non <strong>de</strong>s substances dissoutes), l’eau pure a alors tendance à traverser <strong>la</strong><br />
membrane pour diminuer <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution. Ce phénomène est<br />
appelé osmose. La pression qu’il faut appliquer pour empêcher l’arrivée <strong>de</strong> l’eau<br />
dans <strong>la</strong> solution saline est nommée <strong>la</strong> pression osmotique (Figure. 1.10). [46].<br />
20
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure. 1.10 : Phénomène osmotique idéal cité par [46].<br />
Si <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> l’eau libre est inférieure à <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> l’eau <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
double couche, il en résulte alors une migration <strong>de</strong>s molécules d’eau <strong>de</strong>s pores<br />
<strong>la</strong>rges vers les particules argileuses entraînant l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance<br />
interfeuillet.<br />
A contrario, il en résulte une pression osmotique d’attraction entraînant <strong>la</strong><br />
contraction du matériau argileux.<br />
Le phénomène d’hydratation par osmose permet d’expliquer le fait que lorsque <strong>la</strong><br />
salinité <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution d’hydratation augmente, le matériau argileux gonfle moins X.<br />
Daupley,R.C.K. Wong et E.Z. WANG et R.P. Steiger) cité Par [46].<br />
6.3 HYDRATATION PAR CAPILLARITE<br />
La capil<strong>la</strong>rité est une caractéristique <strong>de</strong>s matériaux non saturés <strong>de</strong> faible<br />
porosité. Elle se traduit par une extension dans <strong>la</strong> phase liqui<strong>de</strong> lors <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
saturation ou par une contraction lors <strong>de</strong> <strong>la</strong> désaturation.<br />
La saturation <strong>de</strong>s matériaux fins après une phase <strong>de</strong> drainage peut entraîner le<br />
piégeage <strong>de</strong> l’air par l’eau à l’intérieur du réseau poreux. Ce mécanisme peut<br />
engendrer <strong>la</strong> compression <strong>de</strong> l’air responsable <strong>de</strong> <strong>la</strong> dégradation ou <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
fragmentation <strong>de</strong>s matériaux argileux (T.R. Harper T.R., G,L. Schmitt, T. Forsans,<br />
et J. Santarelli, E.M. Van Eeckhout. M. Brignoli et F.J. Santarelli) cité Par [46]. La<br />
capil<strong>la</strong>rité dépend du phénomène d’adsorption, le film d’eau adsorbé diminue<br />
l’espace poreux et modifie par <strong>la</strong> suite <strong>la</strong> capil<strong>la</strong>rité.<br />
Dans l’hypothèse <strong>de</strong> pores cylindriques, <strong>la</strong> pression capil<strong>la</strong>ire Pc est déterminée<br />
par <strong>la</strong> loi <strong>de</strong> Jurin<br />
P<br />
c<br />
= u<br />
0<br />
− u<br />
w<br />
2.<br />
σ. cosθ<br />
=<br />
r<br />
c<br />
(2.3)<br />
ua et uw sont respectivement les pressions d’air et d’eau, u est <strong>la</strong> tension <strong>de</strong><br />
surface eau air et B est l’angle <strong>de</strong> raccor<strong>de</strong>ment entre le ménisque et le soli<strong>de</strong>.<br />
Cette re<strong>la</strong>tion implique qu’au niveau du ménisque, plus r est petit, plus <strong>la</strong><br />
pression d’eau est inférieure à <strong>la</strong> pression d’air. Comme en mécanique <strong>de</strong>s sols<br />
ou <strong>de</strong>s roches, <strong>la</strong> pression atmosphérique étant nulle, il s’ensuit que <strong>la</strong> pression<br />
<strong>de</strong> l’eau à proximité du ménisque est négative.<br />
Plusieurs facteurs affectent <strong>la</strong> capil<strong>la</strong>rité <strong>de</strong>s milieux poreux :<br />
• La dimension et <strong>la</strong> distribution <strong>de</strong>s pores,<br />
• Les flui<strong>de</strong>s et soli<strong>de</strong>s impliqués et l’histoire <strong>de</strong> saturation.<br />
Couramment, les phénomènes capil<strong>la</strong>ires et osmotiques sont réunis sous le<br />
nom <strong>de</strong> succion totale t ψ<br />
. Elle est égale à <strong>la</strong> somme <strong>de</strong> <strong>la</strong> succion matricielle due<br />
21
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
à l’hydratation par capil<strong>la</strong>rité avec <strong>la</strong> succion osmotique o ψ<br />
due à <strong>la</strong> différence <strong>de</strong><br />
concentration en sel entre <strong>de</strong>ux points <strong>de</strong> <strong>la</strong> matrice soli<strong>de</strong> :<br />
ψ = ψ + ψ<br />
t<br />
m<br />
o<br />
(2.4)<br />
La succion totale peut également être définie par une <strong>de</strong>s re<strong>la</strong>tions<br />
fondamentales <strong>de</strong> <strong>la</strong> thermodynamique : <strong>la</strong> loi <strong>de</strong> Kelvin qui suppose que le<br />
matériau soit inerte vis avis <strong>de</strong> l’eau. Elle est exprimée <strong>de</strong> <strong>la</strong> manière suivante :<br />
RT<br />
ψ t = . In<br />
V<br />
m<br />
( a )<br />
s<br />
(2.5)<br />
La loi <strong>de</strong> Kelvin nous amène à supposer que le gonflement <strong>de</strong>s billes <strong>de</strong> verre<br />
<strong>de</strong> petit diamètre est régi par le même phénomène que le gonflement d’un sol<br />
argileux.<br />
En résumé, l’attraction <strong>de</strong> l’eau par un matériau argileux non saturé ne se<br />
réduit pas simplement à l’action <strong>de</strong> <strong>la</strong> succion totale o‘u interviennent également<br />
les actions d’adsorption physico-<strong>chimique</strong>s.<br />
Santos et al, cité par [46].ont exposé <strong>de</strong>ux échantillons d’argilite initialement<br />
séchés à l’eau et à l’huile. L’échantillon mis en contact avec <strong>de</strong> l’eau est altéré.<br />
Malgré le fait que l’huile se soit infiltrée dans le <strong>de</strong>uxième échantillon, ce <strong>de</strong>rnier<br />
n’a pas réagi. Les auteurs ont attribué ce phénomène aux interactions physico<strong>chimique</strong>s<br />
primordiales dans les milieux argileux et non à l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> capil<strong>la</strong>rité.<br />
6 . 4. TRANSFORMATIONS CHIMIQUES<br />
Trois types <strong>de</strong> transformations <strong>chimique</strong>s se distinguent principalement [13]:<br />
• La transformation <strong>de</strong> l’anhydrite en gypse,<br />
• L’oxydation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pyrite,<br />
• La dissolution <strong>de</strong>s carbonates dans l’eau.<br />
La transformation <strong>de</strong> l’anhydrite (CaSO4) en gypse (CaSO4, 2H2O) se produit<br />
sous cerntaines conditions <strong>de</strong> pression, <strong>de</strong> température et <strong>de</strong> teneur en eau [99]<br />
et s’accompagne d’une variation <strong>de</strong> volume spécifique [13].<br />
( CaSO , 2H<br />
O)<br />
CaSO4 2H 2O<br />
→<br />
4 2<br />
+ (2.6)<br />
136g 36g 174g (masse en g)<br />
46 cm 3 36 cm 3 174 cm 3 (Volume <strong>de</strong> soli<strong>de</strong> en cm 3 )<br />
Cette évolution se produit sous certaines conditions <strong>de</strong> pression, <strong>de</strong> température<br />
et <strong>de</strong> teneur en eau (Sahores, 1962). Ainsi, le sulfate <strong>de</strong> calcium sous sa forme<br />
anhydrite CaSO4 est stable à <strong>de</strong>s températures supérieures à 58°C e t à une pression<br />
proche <strong>de</strong> 100 kPa. Au <strong>de</strong>ssous <strong>de</strong> 38°C, l’anhydrite peut être présente si l’eau<br />
22
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
nécessaire à sa transformation est insuffisante ; seul le gypse est stable. Entre 38°C<br />
et 58°C, les <strong>de</strong>ux composés coexistent et présentent <strong>de</strong>s évolutions différentes.<br />
Wittke, cité par [13] a conclu que, dans <strong>la</strong> nature, <strong>de</strong>ux cas sont susceptibles <strong>de</strong><br />
se présenter : dans un volume fermé contenant <strong>de</strong> l’anhydrite et l’eau nécessaire<br />
à <strong>la</strong> transformation, le gypse se forme avec une réduction <strong>de</strong> volume :<br />
( 46 + 36)<br />
ΔV<br />
74 −<br />
ε Vol = − = −<br />
100 = 9,<br />
6%<br />
(2.7)<br />
V 82<br />
ΔV<br />
74 − 46<br />
ε Vol = − = − 100 = −61%<br />
(2.8)<br />
V 46<br />
Par contre, si l’eau provient <strong>de</strong> l’extérieur, c’est- à -dire dans un système<br />
ouvert, théoriquement, un gonflement s’observe :<br />
Dans <strong>la</strong> nature, les conditions sont plus proches <strong>de</strong> celles du système ouvert,<br />
c’est pourquoi on assiste généralement à un gonflement.<br />
6.4.1 L’oxydation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pyrite (FeS2)<br />
Est le processus le plus important <strong>de</strong> décomposition <strong>chimique</strong> <strong>de</strong>s roches<br />
sédimentaires à granulométrie fine [116]. Cette oxydation conduit à <strong>la</strong> formation <strong>de</strong><br />
l’aci<strong>de</strong> sulfurique. L’aci<strong>de</strong> réagit à son tour avec les carbonates <strong>de</strong> calcium. Cette<br />
réaction produit du sulfate et peut former du gypse dont <strong>la</strong> cristallisation provoque<br />
l’éc<strong>la</strong>tement du matériau argileux. [46].<br />
L’oxydation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pyrite peut créer un réseau <strong>de</strong> microfissures se traduisant par un<br />
risque <strong>de</strong> rupture et également <strong>de</strong>s chemins préférentiels d’écoulement.<br />
6.4.2 La dissolution <strong>de</strong>s carbonates dans l’eau<br />
La dissolution <strong>de</strong>s carbonates dans l’eau rend l’argilite <strong>de</strong> plus en plus<br />
sensible à <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> son état hydrique. A long terme, <strong>la</strong> dissolution <strong>de</strong>s<br />
carbonates rend les matériaux argileux <strong>de</strong> plus en plus ductiles. [46].<br />
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<br />
Les résultats <strong>de</strong> nombreuses étu<strong>de</strong>s ont montré que l’amplitu<strong>de</strong> du gonflement<br />
dépend <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> facteurs :<br />
les facteurs intrinsèques,<br />
les facteurs externes.<br />
7.1. FACTEURS INTRINSEQUES<br />
7.1.1 Influence Compositions minéralogiques<br />
Ce facteur est très important pour déterminer le gonflement d’un sol. Les propriétés<br />
gonf<strong>la</strong>ntes du matériau seront d’autant plus marquées que le pourcentage<br />
23
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
d’éléments argileux est grand [20].C’est ainsi que pour une même nature d’ions, les<br />
montmorillonites gonfleront plus que les kaolinites.<br />
Plus les substitutions sont proches <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface du feuillet, plus les interactions avec<br />
les cations compensateurs sont fortes. C’est notamment le cas du mica [99] cité par<br />
[23], dont les substitutions sont situées dans <strong>la</strong> couche tétraédrique et qui présente<br />
une très faible aptitu<strong>de</strong> au gonflement en milieu aqueux, donc à l’échange<br />
cationique.<br />
Pour <strong>la</strong> montmorillonite, les substitutions sont situées dans <strong>la</strong> couche octaédrique,<br />
les interactions avec les ions compensateurs sont atténuées par <strong>la</strong> couche<br />
tétraédrique, ce qui permet le gonflement <strong>de</strong>s feuillets en milieu aqueux, et donc<br />
l’échange cationique. [23].<br />
7.1.2 Influence du type <strong>de</strong> cations compensateur<br />
Le type <strong>de</strong> cation qui doit être substitué a aussi une importance sur le taux d’ions<br />
échangés (GHE, cité par [23]). Plus le cation est gros et peu hydraté, plus il crée une<br />
attraction forte entre les feuillets. C’est ainsi que les feuillets <strong>de</strong> montmorillonites<br />
comportant <strong>de</strong>s ions K + , Rb + , NH +4 , et Cs + sont col<strong>la</strong>psés en milieu aqueux, alors que<br />
ceux compensés par <strong>de</strong>s ions Na + , Li + , Ca +2 et Mg +2 se dissocient facilement. [23].<br />
La taille <strong>de</strong> l’ion substituant va également avoir un rôle sur <strong>la</strong> capacité d’échange, car<br />
plus cet ion est volumineux, plus il va perturber les couches d’hydratation, et ce<br />
désordre va faciliter l’échange. [23].<br />
7.1.3 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> Capacité d’échange en cations (CEC)<br />
La capacité d’échange cationique a évi<strong>de</strong>ment un rôle important, car plus les feuillets<br />
possè<strong>de</strong>nt <strong>de</strong>s sites compensables, plus ils peuvent adsorber <strong>de</strong>s ions. Cependant,<br />
lorsque <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> sites est trop élevée, comme dans le cas <strong>de</strong> <strong>la</strong> vermiculite, les<br />
feuillets sont liés par <strong>de</strong> trop fortes interactions pour pouvoir être gonflés, et donc<br />
pour être échangés.<br />
La capacité d’échange cationique est une quantité qui se mesure par saturation <strong>de</strong><br />
l’argile par un premier type <strong>de</strong> cations, ensuite on <strong>la</strong> met en présence d’autres<br />
cations qui vont prendre <strong>la</strong> p<strong>la</strong>ce <strong>de</strong>s premiers. Selon le nombre <strong>de</strong>s cations<br />
récupérés, on estime <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> CEC qui s’exprime en mille équivalents pas 100 g.<br />
d’argile (meq/100 g. d’argile) [20].<br />
Cette aptitu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s argiles à libérer leurs cations dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence et <strong>la</strong> masse<br />
atomique du cation présent dans <strong>la</strong> solution, selon l’ordre croissant suivant :<br />
Li + < Na + < k + < H + < Mg ++ < Ca ++ < Al +++<br />
Exemple : Na argile + CaCl2 → Ca argile + NaCl<br />
24
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Les surfaces <strong>de</strong>s particules d’argiles sont chargées négativement, afin d’équilibrer <strong>la</strong><br />
charge négative, les particules d’argiles attirent les ions positifs contenus dans les<br />
solutions <strong>de</strong> sel.<br />
Ces ions sont considérés comme <strong>de</strong>s ions interchangeables. Le tableau 4.1<br />
représente le CEC <strong>de</strong> quelques argiles connues :<br />
Tableau 1.3 : Capacités d’échange <strong>de</strong>s cations <strong>de</strong> quelques argiles [20].<br />
7.1.4 Influence Surface spécifique<br />
Les particules d’argiles, présentent <strong>de</strong>s surfaces spécifiques très importantes et<br />
peuvent <strong>de</strong> ce faite attirer un grand nombre <strong>de</strong> molécules et d’ions ; et exercer ainsi<br />
entre eux, d’importantes forces d’interactions. Ces forces, influent amplement sur le<br />
comportement mécanique <strong>de</strong> ces argiles.<br />
L’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface spécifique entraîne <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité en<br />
charge, et par conséquent favorise le gonflement. Les argiles dont les particules ont<br />
<strong>de</strong>s surfaces spécifiques gran<strong>de</strong>s sont très gonf<strong>la</strong>ntes. La surface spécifique<br />
s’exprime en m 2 /g.<br />
Tableau 1.4 : Surfaces spécifiques <strong>de</strong> quelques minéraux argileux [20]<br />
25
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
7.1.5 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure du sol<br />
Pour <strong>de</strong>s sols qui se sont déposés naturellement, l’arrangement <strong>de</strong>s particules<br />
sera fonction <strong>de</strong> leur nature, leur dimension et leur environnement durant leur dépôt.<br />
Un matériau intact à configuration dispersée présentera <strong>de</strong>s caractéristiques <strong>de</strong><br />
gonflement plus importantes qu’un matériau remanié à configuration floculée [13].<br />
7.1.6 Influence <strong>la</strong> quantité <strong>de</strong> minéraux non argileux<br />
Deux sols formés <strong>de</strong>s mêmes argiles gonf<strong>la</strong>ntes et ayant les mêmes <strong>de</strong>nsités<br />
et teneur en eau, mais différents par <strong>la</strong> quantité <strong>de</strong>s matériaux non gonf<strong>la</strong>nts<br />
contenus dans les sols, ont <strong>de</strong>s caractéristiques <strong>de</strong> gonflement très différentes<br />
[20] et [22].<br />
7.2. FACTEURS EXTERNES<br />
D’autres paramètres indépendants <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure <strong>de</strong>s argiles et <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
composition <strong>chimique</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution hydratante peuvent avoir une influence<br />
importante sur le gonflement, on cite en particulier :<br />
7.2.1 Conditions <strong>de</strong> compactage (statique ou dynamique)<br />
Pour les essais <strong>de</strong> gonflement réalisés sur <strong>de</strong>s échantillons reconstitués au<br />
<strong>la</strong>boratoire, l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’influence du mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> compactage a été abordée par certains<br />
chercheurs (Guiras – Skandaji.H), .cité par [10]. Les différentes métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />
compactage aboutissent à <strong>de</strong>s structures différentes <strong>de</strong> l’échantillon, ce qui peut<br />
influencer le résultat du gonflement.<br />
Edil et A<strong>la</strong>nazi, cité par [11].constatent qu’il n’y a pas un consensus sur le type <strong>de</strong><br />
structure obtenue par les différentes métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> compactage. Seed et al cité par<br />
[11], affirment que le compactage statique donne une structure plus flocu<strong>la</strong>nte que le<br />
compactage par ma<strong>la</strong>xage et ceci à teneur en eau initiale et <strong>de</strong>nsité sèche initiale<br />
égale.<br />
Dans ce cas, l’échantillon compacté statiquement abouti à un gonflement plus fort.<br />
Alors que Perches et Lu, (1965) cités par Edil et A<strong>la</strong>nazi, et Seed et Chen ; (1961),<br />
cité par [11].affirment que le compactage statique donne une structure orientée en<br />
26
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
parallèle beaucoup plus marquée que le compactage par ma<strong>la</strong>xage et aboutit donc à<br />
un gonflement plus important.<br />
Hachichi et Fleureau (1999); ont observé un gonflement final plus faible pour <strong>de</strong>s<br />
échantillons reconstitués par compactage statique que pour <strong>de</strong>s échantillons intacts.<br />
7.2.2 Influence <strong>de</strong> l’énergie <strong>de</strong> compactage<br />
A. Sridharan, Y. Gurtug, 2004 ; ont étudié l’influencé par l’énergie <strong>de</strong><br />
compactage, ils ont fait avec <strong>de</strong> <strong>la</strong> Kaolinite et l’argile <strong>de</strong> montmorillonite<br />
fortement en p<strong>la</strong>stique. Ils ont trouvé l’effet <strong>de</strong> cette énergie sur le taux et <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement (tableau 3.4).<br />
Le tableau suivant récapitule les résultats les essais effectués pour voir<br />
l’effet <strong>de</strong> cette énergie sur le taux et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.<br />
Tableau 1.5 : taux <strong>de</strong> gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement pour plusieurs type du<br />
sol à différentes énergies <strong>de</strong> compactage. (A. Sridharan, Y. Gurtug, 2004).<br />
7.2.3 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale<br />
Lorsque les argiles ne sont pas saturées, par suite d’une <strong>de</strong>ssiccation, les forces<br />
d’attraction dues aux charges électriques, les forces dérivant <strong>de</strong> l’énergie<br />
d’hydratation <strong>de</strong>s cations échangeables et les forces capil<strong>la</strong>ires ont <strong>la</strong> primauté.<br />
Succinctement, plus le matériau argileux est sec, plus il a tendance à gonfler par<br />
saturation.<br />
Pareillement, <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement diminue avec l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur<br />
en eau initiale et ce<strong>la</strong> a été vérifié sur <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement empêché effectués<br />
sur <strong>de</strong>s marnes.<br />
Bar<strong>de</strong>n et Al (1969), cité par [11]; pensent que <strong>la</strong> teneur en eau initiale détermine <strong>la</strong><br />
structure initiale du sol par conséquent <strong>de</strong>s échantillons à <strong>la</strong> même teneur en eau<br />
initiale aboutissent à <strong>la</strong> même variation <strong>de</strong> volume indépendamment du chemin <strong>de</strong><br />
contrainte suivi, alors qu’une différence <strong>de</strong> 0,5 à 1 % donne <strong>de</strong>s variations <strong>de</strong> volume<br />
différentes pour le même chemin <strong>de</strong> contraintes<br />
Karalis (1977), cité par [11], montre qu’il y a une variation presque linéaire du taux <strong>de</strong><br />
gonflement en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau.<br />
27
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Edil et Alnazi (1992), cité par [11]; trouvent que <strong>la</strong> teneur en eau initiale <strong>de</strong>s<br />
échantillons compactés à <strong>la</strong> même <strong>de</strong>nsité sèche a une influence considérable sur<br />
les caractéristiques du gonflement (Graphe 1.1) le gonflement <strong>la</strong>téral et vertical<br />
augmente lorsque <strong>la</strong> teneur en eau initiale diminue.<br />
Les essais réalisés par Al-Mukhtar et al, cité par [11]. sur l’argile (Laponite) à<br />
différentes humidités initiales montrent que <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement est invariable<br />
avec le <strong>de</strong>gré d’humidité initial tandis que le gonflement augmente avec <strong>la</strong><br />
diminution <strong>de</strong> ce <strong>de</strong>gré.<br />
Figure 1.11 : Effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale sur le comportement du gonflement avec <strong>la</strong><br />
technique du gonflement libre (Edil et Alnazi), cité par [11].<br />
Figure 1.12 : potentiel <strong>de</strong> gonflement en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale Alonso et al<br />
cité par [11].<br />
Des résultats observés par Alonso et al cité par [5] montrent que le gonflement<br />
pour différentes teneurs en eau initiales suit une loi linéaire (figure 1.12), La nature<br />
<strong>de</strong> cette re<strong>la</strong>tion autorise <strong>la</strong> définition d’une teneur en eau critique (égale à 22 %) qui<br />
donnerait lieu à un gonflement apparent nul [11]. Pour ce cas critique, <strong>la</strong> variation <strong>de</strong><br />
28
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
<strong>la</strong> teneur en eau volumique fournirait une mesure <strong>de</strong> gonflement qui se produit dans<br />
les pores.<br />
Des résultats établis par A.F. Abouleid (1982) Hachichi et Fleureau (1999) cité par<br />
[11].ont établi qu’en fait <strong>la</strong> teneur en eau exerce un effet négligeable sur <strong>la</strong> pression<br />
du gonflement tant qu’elle est inférieure à <strong>la</strong> limite du retrait du sol. Pour <strong>de</strong>s teneurs<br />
en eau au-<strong>de</strong>là <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> retrait l’effet <strong>de</strong>vient marqué. (Figure 1.13),<br />
Figure 1.13 Variation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement en fonction <strong>de</strong> teneur en eau initiale<br />
(Abouleid) cité par [11].<br />
Sturatman a aussi effectué <strong>de</strong>s essais sur <strong>la</strong> montmorillonite, l’illite, et <strong>la</strong> kaolinite<br />
et il a trouvé que tant que <strong>la</strong> teneur en eau diminuait le gonflement augmentait, cité<br />
par [11].<br />
7.2.4 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche<br />
De multiples travaux, notamment ceux <strong>de</strong> Chen, cité par [11], ont permis <strong>de</strong><br />
montrer que le gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement varient considérablement<br />
avec <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité du sol (Figure 1.14).<br />
Figure 1.14 : potentiel <strong>de</strong> gonflement en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité initiale (Chen) cité par<br />
[10].<br />
29
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Suratman, cité par [11] a réalisé <strong>de</strong>s essais sur le montmorillonite, l’illite et <strong>la</strong><br />
kaolinite et a trouvé les mêmes résultats que Chen,<br />
Sridaharan et al, cité par [11].ont mené 32 essais <strong>de</strong> gonflement à volume constant<br />
avec quatre teneurs en eau initiale.<br />
Komine et Ogata (1994), cité par [11] ont effectué <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement sur 4<br />
bentonite Na compactée à différentes <strong>de</strong>nsités sèches initiales. Ils ont pu voir que le<br />
taux <strong>de</strong> gonflement croît linéairement avec <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche initiale.<br />
7.2.5 Influence <strong>de</strong> l’effet d’échelle<br />
L’effet d’échelle consiste à examiner l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> hauteur ou du diamètre <strong>de</strong><br />
l’échantillon sur le gonflement libre ou sur <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement. Cet effet est<br />
fréquemment observé en mécanique <strong>de</strong>s sols.<br />
Dans <strong>de</strong>s conditions œdométriques <strong>de</strong> déformations, les essais effectués par Chen,<br />
cité par [46].sur l’argile <strong>de</strong> Denver et par Vayssa<strong>de</strong>, cité par [46].sur l’argile verte ne<br />
montrent aucune influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> hauteur sur le gonflement libre.<br />
Cependant, les essais réalisés par Khaddaj, cité par [46], sur l’argile <strong>de</strong> F<strong>la</strong>ndre<br />
présentent une diminution du potentiel <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> 20 % quand l’épaisseur <strong>de</strong><br />
l’échantillon passe <strong>de</strong> 12 à 24 mm.<br />
En ce qui concerne <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement, Khaddaj, cité par [46].montre une<br />
augmentation <strong>de</strong> cette <strong>de</strong>rnière avec <strong>la</strong> hauteur <strong>de</strong> l’échantillon. La pression varie <strong>de</strong><br />
116 à 275 KPa, lorsque <strong>la</strong> hauteur <strong>de</strong> l’échantillon passe <strong>de</strong> 12 à 54 mm.<br />
D’un autre coté, les essais réalisés par Duilio, cité par [46], sur les bentonites<br />
montrent que <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement ne dépend pas <strong>de</strong> <strong>la</strong> hauteur <strong>de</strong><br />
l’échantillon.<br />
7.2.6 Influence du régime <strong>de</strong> contraintes<br />
Le gonflement par saturation décroît lorsque <strong>la</strong> pression appliquée augmente. On<br />
arrive ainsi à <strong>la</strong> notion <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement qui correspond à un gonflement<br />
nul.<br />
A l’échelle microscopique, <strong>la</strong> contrainte mécanique appliquée est compensée<br />
par les pressions physico-<strong>chimique</strong>s et osmotiques interparticu<strong>la</strong>ires <strong>de</strong> nature<br />
répulsive dépendant <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance interfeuillet. Plus <strong>la</strong> pression appliquée est<br />
élevée, plus l’espacement interfeuillet est réduit. [46].<br />
Pour une pression supérieure à <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement, le matériau argileux a<br />
tendance à se tasser ou à s’effondrer.[46].<br />
7.2.7 Influence du frottement <strong>la</strong>téral<br />
30
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Le frottement <strong>la</strong>téral contre les parois <strong>de</strong>s cellules <strong>de</strong> mesure du gonflement est non<br />
négligeable. Il dépend principalement <strong>de</strong>s dimensions <strong>de</strong>s éprouvettes et <strong>de</strong>s<br />
conditions <strong>de</strong> mise en p<strong>la</strong>ce <strong>de</strong>s échantillons.<br />
Surastman (1985), Hachichi et Fleureau (1999) cité par [8] ont remarqué que le<br />
gonflement diminue lorsque <strong>la</strong> hauteur <strong>de</strong> l’échantillon augmente et ceci est du au<br />
frottement <strong>la</strong>téral entre l’anneau volumétrique et l’échantillon <strong>la</strong> figure 4.6 représente<br />
les résultats <strong>de</strong> Chen cité par [8] effectués sur <strong>la</strong> région <strong>de</strong> DENVER.<br />
Figure 1.15 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> hauteur initiale sur le gonflement cité par [8].<br />
Aussi Mehmit (1982) cite par [8], présente le graphe suivant qui montre<br />
l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> hauteur d’échantillon sur le gonflement.<br />
L’influence du flui<strong>de</strong> hydratant sur les paramètres du gonflement montre que les<br />
paramètres du gonflement varient avec le type <strong>de</strong>s ions présents dans le flui<strong>de</strong><br />
hydratant. L’hydratation avec <strong>de</strong> l’eau pure donne un gonflement plus important<br />
tandis que l’hydratation avec une eau déminéralisée conduit à surestimer l’activité <strong>de</strong><br />
gonflement et à sous-estimer son taux <strong>de</strong> gonflement (Didier et col, 1973), cité par<br />
[8].<br />
Bouroukba et col. (2001) ont pu montrer l’efficacité <strong>de</strong> diverses solutions salines pour<br />
réduire le gonflement d’un sol avec <strong>de</strong>s concentrations salines différentes.<br />
7.2.8 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> température<br />
La température intervient pour accélérer les échanges d’ions et ainsi augmenter<br />
les capacités d’échange Mouroux (1969) cité par [8].<br />
Mehmit et Ishibashi (1982) cité par [8].; ont trouvé que <strong>la</strong> température affecte le<br />
taux <strong>de</strong> gonflement , et les expériences menées ont montré une réduction <strong>de</strong> 17% à<br />
28% quand <strong>la</strong> température diminue <strong>de</strong> 66°C jusqu’à 24 °C.<br />
7.2.9 Influence <strong>de</strong>s Cycles retrait-gonflement<br />
31
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Si le retrait d’un sol <strong>de</strong> surface se poursuit au <strong>de</strong>là <strong>de</strong> sa limite <strong>de</strong> retrait (WR dans <strong>la</strong><br />
symbolique <strong>de</strong>s limites d’Atterberg), ce<strong>la</strong> peut entraîner sa fissuration jusqu’à une<br />
profon<strong>de</strong>ur pouvant atteindre plus <strong>de</strong> 2 m, (Mouroux et al., 1987) cité par [41], et<br />
avoir pour conséquences :<br />
Le développement <strong>de</strong> très fortes pressions <strong>de</strong> succion <strong>de</strong> l’eau d’une nappe vers les<br />
couches <strong>de</strong> terrains qui lui sont sus-jacentes, créant ainsi un fort potentiel <strong>de</strong><br />
gonflement ;<br />
L’apport direct d’eau à travers les fissures sur une épaisseur importante <strong>de</strong> sol. De<br />
ces <strong>de</strong>ux conséquences, un gonflement d’ensemble important peut se produire et<br />
s’accompagner d’une perte totale <strong>de</strong> consistance en surface. L’état très lâche <strong>de</strong> ces<br />
sols les rendra, par <strong>la</strong> suite, encore plus sensibles au retrait et à <strong>la</strong> fissuration, donc<br />
plus sensibles encore une hydratation brutale et massive, et à un gonflement<br />
conséquent (Mouroux et al., 1987),cité par [41].<br />
Cette alternance <strong>de</strong> cycles retrait-gonflement ne connaît pas <strong>de</strong> fatigue dans <strong>la</strong><br />
pratique et peut facilement perdurer plusieurs dizaines d’années si aucune mesure<br />
n’est prise pour empêcher soit <strong>la</strong> déshydratation, soit l’hydratation <strong>de</strong>s sols.<br />
Ce sont, soit <strong>de</strong>s cycles <strong>de</strong> compression-décompression, soit <strong>de</strong>s cycles<br />
d’humidification-<strong>de</strong>ssication. Lorsque ces cycles ont le même état initial et le même<br />
état final, ils diminuent généralement le gonflement d’après les résultats <strong>de</strong> Chen<br />
(1965) cité par [8].<br />
Chen 1965 , Chen Et Mou 1973, Chen et al. 1985 ; Chen et Ma 1987 ; Subba Rao<br />
et Satydas 1987 ; Dif et Bluemel 1991 cité par [21].,ont conclu qu’après chaque cycle<br />
d’humidification et <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>ssiccation, <strong>la</strong> teneur initiale <strong>de</strong>s échantillons en eau à<br />
diminution <strong>de</strong> potentiel <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s argiles. Cependant, d’autres auteurs<br />
Poposco 1980 ; Osipov et al 1987 et Day 1994 cité par [21], disent que <strong>la</strong> teneur<br />
initiale en eau augmente qu’après chaque cycle <strong>de</strong> (humidification- <strong>de</strong>ssiccation)<br />
répétitif ce qui induit à l’augmentation <strong>de</strong> potentiel <strong>de</strong> gonflement sur <strong>la</strong> figure 1.17.<br />
32
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure 1.16 : le potentiel du gonflement en fonction du comportement<br />
cyclique(gonflement/retrait)selon <strong>de</strong>s différents chercheurs [21].<br />
Adnan A. Basma, Azm S. Al-Homoud, Abdal<strong>la</strong>h I. Husein Malkawi, Mohamed A.<br />
Al-Bashabsheh, 1996; ils ont étudié le comportement cyclique <strong>de</strong> gonflement-rerait<br />
<strong>de</strong>s argiles gonf<strong>la</strong>ntes pour quatre sols <strong>de</strong> différente p<strong>la</strong>sticité. Pour réalisé ces<br />
essais ils ont adopté <strong>de</strong>ux états <strong>de</strong> retrait, <strong>la</strong> première teneur en retrait partiels et <strong>la</strong><br />
secon<strong>de</strong> retrait total, pour ce<strong>la</strong> ils ont simulé les températures <strong>de</strong> séchage typiques<br />
<strong>de</strong>s états d’emp<strong>la</strong>cement, <strong>de</strong>ux <strong>de</strong>s arrangements <strong>de</strong> retrait.<br />
Ils ont trouvé que les cycliques <strong>de</strong> gonflement et rétrécissement à une influence<br />
marquée sur le comportement <strong>de</strong>s argiles expansives, une diminution a observé <strong>de</strong>s<br />
capacités <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s argiles, correspondant à <strong>de</strong>s possibilités réduites<br />
d’absorption <strong>de</strong> l’eau, quand les sols ont été alternativement mouillés et partiellement<br />
rétrécis . D’autre part, une augmentation du potentiel <strong>de</strong> gonflement a été notée<br />
quand les sols étaient rétrécis totalement. Dans les <strong>de</strong>ux cas l’équilibre peut être<br />
atteint après plusieurs cycles sur les figures suivante (1.18 a 1.19). [3].<br />
Figure 1.17 : Potentiel maximum du<br />
gonflement et avec le nombre <strong>de</strong>s<br />
cycles pour le retrait partiel. [3].<br />
Figure 1.18 : Potentiel maximum du<br />
gonflement et avec le nombre <strong>de</strong>s<br />
cycles pour le retrait total. cité par<br />
[3].<br />
33
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure 1.19 : Pression du gonflement et<br />
avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour le<br />
retrait partiel. [3].<br />
Figure 1.21 : Changement <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
vitesse ultrasonique avec le nombre <strong>de</strong>s<br />
cycles pour le retrait partiel et total. [3].<br />
Figure 1.20: Pression du gonflement<br />
et avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour<br />
le retrait total. [3].<br />
Figure 1.22 : Variation <strong>de</strong> indice <strong>de</strong><br />
vi<strong>de</strong> avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour<br />
le retrait partiel et total. [3].<br />
Ainsi ils ont recherché sur <strong>la</strong> vitesse ultrasonique, passant par l’échantillon qui<br />
s’est partiellement rétréci, augmenté avec nombre <strong>de</strong> cycles tout en diminuant une<br />
fois transmis par un échantillon soit rétrécis totalement. (Figure 1.21).mais pour<br />
indice <strong>de</strong> vi<strong>de</strong>, augmenté avec nombre <strong>de</strong> cycles pour les échantillon totalement<br />
rétrécis et vise versa pour un échantillon partiellement rétrécis. (Figure 1.22).<br />
7.2.9 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> durée <strong>de</strong>s essais<br />
La durée d’essai est aussi un facteur influant sur l’estimation du gonflement. Il a été<br />
constaté que le gonflement est rapi<strong>de</strong> durant les premiers jours d’essais, puis <strong>de</strong>vient<br />
<strong>de</strong> plus en plus lent, et après une semaine le phénomène se stabilise. [41] .cette<br />
constations ce n’est pas toujours vrais par ce que nous avons trouvé <strong>de</strong>s essais qui<br />
durée 15 jours ou plus pour atteindre <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong>.<br />
Suivant <strong>la</strong> nature <strong>de</strong>s sols étudiés, <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> du gonflement peut être obtenue<br />
après plusieurs jours.<br />
7.2.10 Influence <strong>de</strong> l’épaisseur<br />
34
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure 1.23 : Variation <strong>de</strong> H / H (soulèvement unitaire) en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> profon<strong>de</strong>ur,<br />
(Mouroux et al., 1987) cité par [41].<br />
Le gonflement résultant à <strong>la</strong> surface d’un sol croît avec l’épaisseur du sol concerné<br />
par le gonflement.<br />
Les courbes <strong>de</strong> variation <strong>de</strong>s déformations re<strong>la</strong>tives DH / H (%) en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
profon<strong>de</strong>ur ont généralement <strong>la</strong> forme <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe figurée sur <strong>la</strong> figure 1-24. Cette<br />
courbe est à rapprocher <strong>de</strong>s courbes <strong>de</strong> calcul <strong>de</strong> tassement habituellement<br />
rencontré en mécanique <strong>de</strong>s sols.<br />
La pression du gonflement en surface va croître avec l’épaisseur du sol<br />
concerné par les variations <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau ou <strong>de</strong>s pressions <strong>de</strong> succion, cité<br />
par [5].<br />
Figure 1.24 :Diagramme comparatif « pression <strong>de</strong> gonflement – diffusion <strong>de</strong> contrainte »<br />
(Mouroux, 1989).cité par Aissa mamoune. cité par [5<br />
Sur <strong>la</strong> figure, une tentative <strong>de</strong> relier <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement à<br />
<strong>la</strong> diffusion <strong>de</strong>s contraintes dues aux fondations dans le sol pour <strong>de</strong>s<br />
constructions légères et lour<strong>de</strong>s est présentée. La distance qui sépare les<br />
courbes <strong>de</strong> diffusion <strong>de</strong>s contraintes à celle <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
représente le potentiel <strong>de</strong> gonflement. Ce <strong>de</strong>rnier est plus élevé dans le cas <strong>de</strong>s<br />
constructions légères.<br />
Dans le cas <strong>de</strong>s variations saisonnières <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau, et donc <strong>de</strong> l’état<br />
d’humidité du sol, on remarque que <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement sera soumise à <strong>de</strong>s<br />
35
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
cycles <strong>de</strong> mobilisation et démobilisation entraînant <strong>de</strong>s cycles <strong>de</strong> soulèvement et <strong>de</strong><br />
tassement au niveau <strong>de</strong>s fondations <strong>de</strong> <strong>la</strong> construction.<br />
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<br />
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<br />
G O N F L E M E N T<br />
L’anisotropie du gonflement et l’anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement ont été<br />
peu étudiés. Elles sont dues, en particulier, au mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> consolidation et à <strong>la</strong><br />
répartition <strong>de</strong>s feuillets argileux. Elles peuvent être i<strong>de</strong>ntifiées aux moyens d’essais<br />
expérimentaux ou par observation au moyen d’un microscope optique ou d’un<br />
microscope électronique.<br />
La plupart <strong>de</strong>s analyses expérimentales ont été effectuées sur <strong>de</strong>s échantillons<br />
cylindriques mis en contact avec <strong>de</strong> l’eau et uniquement pour <strong>de</strong>ux orientations <strong>de</strong><br />
l’axe <strong>de</strong> l’échantillon par rapport aux p<strong>la</strong>ns <strong>de</strong> stratification <strong>de</strong> <strong>la</strong> roche ou <strong>de</strong><br />
compactage <strong>de</strong>s sols argileux.<br />
ag<br />
L’anisotropie du gonflement ag et l’anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement apg<br />
ε z<br />
=<br />
ε<br />
x<br />
pz<br />
a pg =<br />
(2.8)<br />
px<br />
(1.9)<br />
Qui sont respectivement le rapport entre le gonflement perpendicu<strong>la</strong>ire et le<br />
gonflement parallèle au p<strong>la</strong>n privilégié du matériau et le rapport entre <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement perpendicu<strong>la</strong>ire et parallèle à ce p<strong>la</strong>n.<br />
Dans le p<strong>la</strong>n horizontal <strong>de</strong> stratification <strong>de</strong>s roches argileuses, Shimada et al.<br />
[110] ont montré une isotropie <strong>de</strong> gonflement. En revanche, ils ont observé, suivant <strong>la</strong><br />
direction normale aux strates, une anisotropie <strong>de</strong> gonflement bien marquée qui<br />
augmente avec le pourcentage <strong>de</strong>s minéraux gonf<strong>la</strong>nts tels que les smectites.<br />
Aux moyens <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement libre et <strong>de</strong>s essais monoaxiaux réalisés sur<br />
<strong>de</strong>s roches argileuses, Murayama et Yagi, cité par [46], ont conclu que le coefficient<br />
d’anisotropie du gonflement est égal au coefficient d’anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement.<br />
Contrairement aux sols argileux, le coefficient d’anisotropie <strong>de</strong> gonflement est plus<br />
marqué pour les roches argileuses. A titre d’exemple, pour les sols argileux, les<br />
valeurs <strong>de</strong>s coefficients d’anisotropie ag et apg se situent aux alentours <strong>de</strong> 1.1<br />
(K.V.G.K. Gokhale et K.K. Jain.et A. Komornik et M. Livneh.et Z.H.E. Rogatkina), cité<br />
Par [46] , et sont généralement plus élevées pour les roches argileuses. La figure<br />
2.17 montre que l’orientation <strong>de</strong>s feuillets dans les sols argileux est aléatoire et ne<br />
présente pas une direction privilégiée. Cependant, les roches argileuses sont plus<br />
orientées et ce<strong>la</strong> est dû à <strong>la</strong> transformation d’un sédiment en roche sous l’effet <strong>de</strong>s<br />
processus <strong>de</strong> <strong>la</strong> diagenèse qui va <strong>de</strong> <strong>la</strong> compaction du sédiment à sa cimentation.<br />
36
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
Figure. 1.24 : Différents mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> compaction selon T.H. Bennett et M.H. Hulbert, cité<br />
par [46].<br />
Froehlich cité Par [46], a observé une forte anisotropie du gonflement pour <strong>de</strong>s<br />
échantillons <strong>de</strong> roches argileuses. En moyenne, les déformations<br />
perpendicu<strong>la</strong>ires aux couches <strong>de</strong> stratifications sont neuf fois supérieures à celles<br />
parallèles à ces mêmes couches. L’auteur a attribué cette forte anisotropie du<br />
gonflement à l’anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure <strong>de</strong> <strong>la</strong> roche argileuse.<br />
L’influence <strong>de</strong>s différents angles <strong>de</strong> stratification (0 °, 30 °, 60 °, 90 °) <strong>de</strong>s<br />
bentonites compactés a été étudiée par Kabbaj, cité par [46], à partir <strong>de</strong>s essais<br />
<strong>de</strong> gonflement œdomètriques sous contraintes et <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement. L’auteur a constaté une diminution du gonflement et <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement avec l’accroissement <strong>de</strong> l’angle <strong>de</strong> stratification ainsi qu’une<br />
diminution du coefficient d’anisotropie avec <strong>la</strong> charge appliquée. Il a attribué cette<br />
<strong>de</strong>rnière diminution à <strong>la</strong> modification <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure interne en cours <strong>de</strong> processus<br />
d’humidification sous charges.<br />
A contrario <strong>de</strong> tout ce qui vient d’être dit, les essais <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
effectués par Johnson, cité Par [46], à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’appareil triaxial sur <strong>de</strong>s<br />
échantillons d’argile intacts montrent une isotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
malgré <strong>la</strong> présence d’une anisotropie structurelle. L’auteur a attribué ce<br />
phénomène à <strong>la</strong> succion réagissant d’une manière isotrope.<br />
3 . C O N C L U S I O N<br />
Les matériaux argileux, que ce soient les sols ou les roches, sont très fréquents et<br />
couvrent une partie considérable du globe terrestre. La maîtrise du phénomène <strong>de</strong><br />
gonflement <strong>de</strong>man<strong>de</strong> <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s connaissances afin <strong>de</strong> minimiser les dégâts<br />
occasionnés par ce phénomène sur les différents ouvrages construits en formations<br />
argileuses.<br />
Dans un premier temps, une brève présentation <strong>de</strong>s conséquences du gonflement<br />
sur le comportement <strong>de</strong>s ouvrages géotechniques. Après, il convient à présent<br />
d’étudier plus en détail les caractéristiques et <strong>de</strong> <strong>la</strong> texture <strong>de</strong>s matériaux argileux.<br />
37
Chapitre1 Autour du phénomène du gonflement<br />
En plus, les interactions entre cations inorganiques et surfaces argileuses<br />
dépen<strong>de</strong>nt <strong>de</strong> quatre facteurs tels que (1) le rayon <strong>de</strong>s cations non hydratés, (2) <strong>la</strong><br />
charge <strong>de</strong>s cations, (3) leur énergie d’hydratation, (4) les interactions spécifiques.<br />
Plus les <strong>de</strong>ux premiers paramètres sont élevés et plus le troisième est faible, plus les<br />
interactions sont fortes. Ces trois premiers facteurs sont généralement à l’origine <strong>de</strong><br />
liaisons fortes entre un cation et une surface négativement chargée. Le quatrième<br />
est plus caractéristique d’interactions spécifiques entre un cation et une argile<br />
donnée.<br />
Aussi, <strong>la</strong> notion <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse nous permet <strong>de</strong> conclure que le<br />
phénomène <strong>de</strong> gonflement peut être expliqué selon ce modèle et surtout en<br />
interaction en milieu aqueux.<br />
Enfin, nous avons défini les divers facteurs affectant le gonflement, l’influence <strong>de</strong>s<br />
facteurs intrinsèques et facteurs externes sur le potentiel et <strong>la</strong> pression du<br />
gonflement. Aussi, une revue sur quelques résultats <strong>de</strong> recherches publiés par divers<br />
auteurs dans ce domaine. Il s’agit <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche, <strong>la</strong> teneur en eau initiale et <strong>la</strong><br />
hauteur d’échantillon qui influe d’une façon directe sur <strong>la</strong> mesure <strong>de</strong>s paramètres du<br />
gonflement.<br />
38
Chapitre 02<br />
1 INTRODUCTION<br />
APPROCHES THEORIQUES DE GONFLEMENT<br />
Les différents mécanismes détaillés dans le chapitre précé<strong>de</strong>nt ont été intégrés<br />
dans diverses approches permettant <strong>de</strong> modéliser le gonflement d’un matériau<br />
argileux mis en contact avec un flui<strong>de</strong> et soumis à un régime <strong>de</strong> contraintes.<br />
Le développement d’un modèle, faisant intervenir les aspects électro<strong>chimique</strong>s et<br />
mécaniques, constitue une tache très ardue en géotechnique.<br />
Trois types d’approches sont habituellement utilisés. Chacune <strong>de</strong> ces approches<br />
abor<strong>de</strong> le problème d’une façon différente.<br />
Pour les matériaux fortement gonf<strong>la</strong>nts qui contiennent une quantité élevée <strong>de</strong><br />
smectite, l’approche <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche est <strong>la</strong> plus scientifiquement utilisée. Elle<br />
repose sur les caractéristiques microscopiques <strong>de</strong>s minéraux argileux et sur les<br />
propriétés <strong>de</strong> l’électrolyte. L’explication <strong>de</strong> cette approche est complétée par un<br />
exemple sur <strong>la</strong> bentonite où est mise en relief l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte et <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution sur le gonflement.<br />
Les approches phénoménologiques s’appuient généralement sur <strong>la</strong> succion totale<br />
introduite dans <strong>la</strong> notion <strong>de</strong> contrainte effective. Ce type d’approches est le plus<br />
utilisé par les modèles couplés basés sur diverses lois d’écoulement <strong>de</strong> l’eau ou <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> vapeur d’eau dans les milieux faiblement poreux. Les approches du gonflement<br />
sont les plus exploitées pour les matériaux argileux subissant une saturation<br />
définitive. Soit elles ont été établies à <strong>la</strong> phase ultime <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> qui correspond<br />
au gonflement le plus prononcé, soit elles font intervenir le temps d’hydratation.<br />
Par <strong>la</strong> suite, on va présenter les <strong>de</strong>ux modèles, complexation <strong>de</strong> surface et<br />
échangeur d'ions, ont été très <strong>la</strong>rgement utilisés dans <strong>la</strong> littérature pour interpréter<br />
les mécanismes d'adsorption <strong>de</strong>s cations, alcalins ou autres éléments métalliques,<br />
avec les minéraux argileux.
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
2 APPROCHE DU DOUBLE COUCHE<br />
2.1. DOUBLE COUCHE ELECTRIQUE<br />
A l’interface entre une surface chargée et une solution électrolytique, il existe une<br />
couche <strong>de</strong> solution, notée "double couche", possédant <strong>de</strong>s propriétés différentes <strong>de</strong><br />
celles du réservoir. Plusieurs modèles successifs ont été é<strong>la</strong>borés pour décrire cette<br />
double couche.<br />
2.1.1 Modèle <strong>de</strong> Gouy-Chapman<br />
La théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche électrique a été proposée initialement par Gouy et<br />
Chapman en 1910. Elle repose sur l' existence, à proximité d' une surface chargée, d' une<br />
couche dite diffuse possédant <strong>de</strong>s propriétés différentes <strong>de</strong> celles du réservoir et qui, au-<strong>de</strong>là<br />
d' une certaine distance (longueur <strong>de</strong> Debye), récupère les propriétés du réservoir<br />
électrolytique (potentiel nul, concentrations en ions i<strong>de</strong>ntiques à celles du réservoir). Dans<br />
cette couche diffuse, <strong>la</strong> distribution <strong>de</strong>s contre-ions et <strong>de</strong>s coions est déterminée à <strong>la</strong> fois par<br />
les interactions électrostatiques avec <strong>la</strong> surface, et par les mécanismes <strong>de</strong> diffusion liés à<br />
l’agitation thermique, qui ten<strong>de</strong>nt à rétablir l’équilibre avec le réservoir (Figure 2.1).<br />
L’équation <strong>de</strong> Poisson-Boltzmann permet d’accé<strong>de</strong>r aux profils du potentiel électrique dans<br />
<strong>la</strong> couche diffuse et <strong>de</strong>s concentrations ioniques au-<strong>de</strong>là <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface chargée. Dans ce<br />
modèle, les ions sont considérés comme ponctuels et le solvant. [39] Comme un continuum<br />
diélectrique, hypothèses non satisfaisantes surtout lorsqu'on se trouve à proximité <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
surface chargée. Il a donc été indispensable <strong>de</strong> définir un nouveau modèle permettant <strong>de</strong><br />
rendre<br />
2.1.2 Modèle <strong>de</strong> Stern<br />
Figure 2.1 : Modèle <strong>de</strong> Gouy-Chapman cité Par [39]<br />
Ce modèle a été introduit en 1924. L'interface soli<strong>de</strong>-solution se décompose alors<br />
en <strong>de</strong>ux parties (Figure 2.2). La première partie est une couche dite compacte<br />
(couche <strong>de</strong> Stern) d'épaisseur d matérialisant <strong>la</strong> distance minimum d'approche <strong>de</strong>s<br />
ions, hydratés ou non. Cette couche est donc exempte d'ions et peut être i<strong>de</strong>ntifiée<br />
comme un con<strong>de</strong>nsateur <strong>de</strong> capacité Cs. La <strong>de</strong>uxième partie <strong>de</strong> l'interface est<br />
40
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
constituée par <strong>la</strong> couche diffuse, dont les caractéristiques sont les mêmes que dans<br />
le modèle précé<strong>de</strong>nt. Le p<strong>la</strong>n séparant <strong>la</strong> couche compacte <strong>de</strong> <strong>la</strong> couche diffuse est<br />
noté p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> Stern.<br />
2.1.3 Modèle triple couche<br />
Figure 2.2 : Modèle <strong>de</strong> Stern, cité Par [39]<br />
Dans ce modèle, introduit en 1947, <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> Stern est elle-même subdivisée<br />
en <strong>de</strong>ux parties (Figure 2.3). La première est située entre <strong>la</strong> surface et le p<strong>la</strong>n interne<br />
<strong>de</strong> Helmholtz (PIH). C'est une couche où seuls les ions présentant une interaction<br />
forte avec <strong>la</strong> surface (ions spécifiquement adsorbés)<br />
Peuvent se loger, en perdant partiellement ou totalement leur sphère d'hydratation<br />
(complexes <strong>de</strong> sphère interne). Le centre <strong>de</strong> ces ions est localisé au niveau du PIH,<br />
et cette couche peut être définie comme un con<strong>de</strong>nsateur <strong>de</strong> capacité Ci. La<br />
<strong>de</strong>uxième partie est comprise entre le PIH et le p<strong>la</strong>n externe <strong>de</strong> Helmholtz (PEH),<br />
confondu avec le p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> Stern. Elle prend en compte, comme <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> Stern,<br />
les ions hydratés retenus par les forces électrostatiques. Du point <strong>de</strong> vue électrique,<br />
cette couche se comporte comme un <strong>de</strong>uxième con<strong>de</strong>nsateur <strong>de</strong> capacité. [39].<br />
Figure 2.3 : Modèle triple couche [39]<br />
Dans ces trois modèles, l'épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> couche diffuse apparaît comme un<br />
paramètre essentiel, permettant <strong>de</strong> caractériser <strong>la</strong> décroissance du potentiel. Cette<br />
41
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
épaisseur, appelée longueur <strong>de</strong> Debye et notée, dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> force ionique <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
solution. Elle diminue lorsque <strong>la</strong> force ionique augmente.<br />
L'expression <strong>de</strong> <strong>la</strong> longueur réciproque <strong>de</strong> Debye est <strong>la</strong> suivante :<br />
Où<br />
∞<br />
γ i : Est <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> l'ion i dans le réservoir<br />
zi est <strong>la</strong> charge <strong>de</strong> l'ion i.<br />
(2.1)<br />
Par ailleurs, dans chacun <strong>de</strong> ces modèles, le p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface accueille lui-même<br />
les ions déterminant le potentiel, comme H + et OH - en général, ou <strong>de</strong>s ions<br />
participant à <strong>la</strong> structure du minéral. Pour chacun <strong>de</strong>s ions déterminant le potentiel,<br />
peut être définie une loi d'action <strong>de</strong> masse décrivant son association avec un site <strong>de</strong><br />
surface. La charge <strong>de</strong> surface est alors calculée en tenant compte <strong>de</strong> ces équilibres<br />
d'association, et dépend par conséquent à <strong>la</strong> fois <strong>de</strong>s constantes d'équilibre, <strong>de</strong>s<br />
concentrations en ions déterminant le potentiel dans <strong>la</strong> solution, et du nombre total<br />
<strong>de</strong> sites <strong>de</strong> surface.<br />
2.2 POTENTIEL ZETA<br />
Lorsqu'on applique un champ électrique dans une suspension contenant <strong>de</strong>s<br />
particules chargées, les particules acquièrent une certaine mobilité dépendant <strong>de</strong><br />
leur charge et <strong>de</strong> leur cortège ionique. Il existe alors au sein <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche un<br />
p<strong>la</strong>n délimitant <strong>de</strong>ux comportements d'ions différents. Les ions présentant une affinité<br />
spécifique pour <strong>la</strong> surface accompagnent <strong>la</strong> particule dans son mouvement, alors<br />
que les ions ayant une attirance plus faible se séparent progressivement <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
surface. Ce p<strong>la</strong>n, appelé p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> cisaillement, est défini à partir <strong>de</strong> considérations<br />
hydrodynamiques. Cependant, il est possible <strong>de</strong> le relier à <strong>la</strong> <strong>de</strong>scription <strong>chimique</strong> <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> double couche. En effet, il est généralement très proche du p<strong>la</strong>n délimitant <strong>la</strong><br />
couche compacte <strong>de</strong> <strong>la</strong> couche diffuse, dit p<strong>la</strong>n externe <strong>de</strong> Helmholtz. [39]<br />
Le potentiel au p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> cisaillement est couramment noté potentiel zéta ou ζ. Il<br />
dépend principalement <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux paramètres : le potentiel au p<strong>la</strong>n interne <strong>de</strong><br />
Helmholtz, qui peut être du signe opposé au potentiel <strong>de</strong> surface dans le cas d'une<br />
adsorption spécifique, et <strong>la</strong> force ionique <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution, comprimant plus ou moins <strong>la</strong><br />
double couche électrique. Le potentiel zéta est accessible expérimentalement par<br />
<strong>de</strong>s mesures électrocinétiques. [39]<br />
Cette théorie d’origine électrique suppose que <strong>la</strong> double couche soit composée<br />
d’une couche fixe liée au soli<strong>de</strong> et d’une couche diffuse en affinité avec les particules<br />
argileuses. L’attraction <strong>de</strong>s cations par <strong>la</strong> surface argileuse entraîne une modification<br />
42
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration en ions par rapport à l’interface <strong>de</strong>s particules. Cette variation <strong>de</strong><br />
concentration en fonction du potentiel est répartie dans <strong>la</strong> double couche selon <strong>la</strong><br />
statistique <strong>de</strong> Boltzmann [39] :<br />
(2.2)<br />
ni est le nombre d’ion/m 3 , Zi est <strong>la</strong> valence <strong>de</strong> l’ion, e est <strong>la</strong> charge d’un électron<br />
(1.6 .10 -19 C), e est le potentiel électrique (V ), K b est <strong>la</strong> constante <strong>de</strong> Boltzmann<br />
(13.8 .10 -24 J/K) et T est <strong>la</strong> température absolue (°K).<br />
Cette équation décrit <strong>la</strong> distribution <strong>de</strong>s ions en fonction du potentiel électrique.<br />
Dans le cas <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche, ce potentiel n’est pas constant mais décroît en<br />
fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance par rapport à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong> <strong>la</strong> particule. Il est décrit, en<br />
unidimensionnel, par l’équation <strong>de</strong> Poisson-Boltzmann qui peut être écrite d’une<br />
manière simplifiée :<br />
(2.3)<br />
(2.4)<br />
Ainsi, le potentiel électrique diminue <strong>de</strong> façon exponentielle si l’on s’éloigne <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
surface du feuillet. L’insertion <strong>de</strong> l’équation 2 4 dans l’équation 2.3 nous permet <strong>de</strong><br />
calculer les profils <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsités <strong>de</strong> cations ou d’anions en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance par<br />
rapport à l’interface soli<strong>de</strong>-liqui<strong>de</strong>.<br />
Les chercheurs ont communément fait référence à l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche<br />
qui correspond à <strong>la</strong> distance Il ne s’agit donc pas réellement d’une<br />
épaisseur mais elle permet <strong>de</strong> visualiser l’effet <strong>de</strong> différents paramètres sur<br />
l’extension <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche. L’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse H DC est<br />
alors définie par l’équation suivante:<br />
2.3 INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES SUR LE GONFLEMENT<br />
(2.5)<br />
D’après <strong>la</strong> théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche, il est aisé d’en déduire les constatations<br />
suivantes [46] :<br />
l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration en solution entraîne une diminution <strong>de</strong><br />
l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse,<br />
lorsque <strong>la</strong> valence <strong>de</strong> l’électrolyte augmente, l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche<br />
43
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
diffuse diminue,<br />
l’augmentation du constant diélectrique entraîne une augmentation <strong>de</strong><br />
l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche,<br />
l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> température accroît l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche<br />
diffuse.<br />
2.4 FORCES ELECTROSTATIQUES<br />
Les feuillets argileux sont soumis à trois forces par unité <strong>de</strong> surface dont <strong>de</strong>ux <strong>de</strong><br />
nature répulsive et l’autre attractive du type Van <strong>de</strong>r Waals [46] :<br />
1. ∏ r<br />
2. ∏ a<br />
3. ∏ h<br />
: Force <strong>de</strong> répulsion,<br />
: Force d’attraction <strong>de</strong> Van <strong>de</strong>r<br />
: Force d’hydratation.<br />
La résultante <strong>de</strong>s forces, qui est <strong>de</strong> nature répulsive, diminue avec l’augmentation<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> distance interfoliaire, autrement dit avec le gonflement.<br />
2.4.1 Force <strong>de</strong> répulsion<br />
Une force répulsive est générée entre <strong>de</strong>ux feuillets parallèles <strong>de</strong> distance 2d.<br />
Cette force par unité <strong>de</strong> surface dérive <strong>de</strong> <strong>la</strong> distribution du potentiel électrique et<br />
est écrite sous <strong>la</strong> forme [46] :<br />
Avec :<br />
Et<br />
(2.6)<br />
(2.7)<br />
(2.8)<br />
CEC est <strong>la</strong> capacité d’échange cationique (mequi.g -1 ) et S est <strong>la</strong> surface<br />
spécifique (m 2 .g -1 ). Cette pression <strong>de</strong> nature répulsive n’est pas <strong>la</strong> pression<br />
osmotique, bien que certains auteurs l’appellent ainsi.[46].<br />
2.4.2 Force d’attraction<br />
La force <strong>de</strong> Van <strong>de</strong>r Waals est <strong>de</strong> nature attractive. Elle génère une énergie<br />
d’attraction qui est inversement proportionnelle à <strong>la</strong> distance qui sépare les <strong>de</strong>ux<br />
44
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
feuillets. Elle peut être écrite comme suit [46] :<br />
(2.9)<br />
Ah est <strong>la</strong> constante <strong>de</strong> Hamaker et varie <strong>de</strong> 2.10 -20 à 5.10 -20 J, t est l’épaisseur du<br />
feuillet (m).<br />
2.4.3 Force d’hydratation<br />
En théorie, lorsque <strong>la</strong> distance interfeuillet est réduite, les forces d’attraction<br />
dominent les forces <strong>de</strong> répulsion, autrement dit il n’y a pas <strong>de</strong> gonflement.<br />
Expérimentalement, ce phénomène ne se vérifie pas.<br />
La force supplémentaire <strong>de</strong> répulsion est attribuée au changement <strong>de</strong> liaison<br />
d’hydrogène dans l’eau adjacente aux feuillets argileux et prévient l’effondrement <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> double couche. Cette force n’est pas prise en compte dans <strong>la</strong> théorie DLVO<br />
(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) qui est basée uniquement sur les forces <strong>de</strong><br />
répulsion et d’attraction.<br />
La force supplémentaire <strong>de</strong> répulsion, appelée force d’hydratation, peut être<br />
écrite sous <strong>la</strong> forme suivante [46]:<br />
(2.10)<br />
λ varie <strong>de</strong> 0.6.10 -9 à 2.10 -9 m , k h varie <strong>de</strong> 3.10 6 à 30.10 6 J.m -3 . Pour une valeur<br />
élevée <strong>de</strong> K h correspond une faible valeur <strong>de</strong> λ . La résultante <strong>de</strong>s forces au centre<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>ux feuillets F R(d) est alors <strong>la</strong> forme suivante :<br />
2.5 PASSAGE MICRO-MACRO<br />
(2.11)<br />
Le passage micro-macro reste le plus délicat. Il impose que le matériau argileux<br />
soit pur et homogène (dimensions <strong>de</strong>s feuillets et espaces interfeuillets i<strong>de</strong>ntiques) et<br />
que les feuillets restent parallèles durant le processus <strong>de</strong> gonflement.<br />
Dans ce cas, <strong>la</strong> distance 2d interfeuillet est reliée à l’indice <strong>de</strong>s vi<strong>de</strong>s ev par cette<br />
approximation [46]<br />
Avec :<br />
(2.12)<br />
45
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
(2.13)<br />
γs et Vs sont respectivement <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité et le volume <strong>de</strong>s particules soli<strong>de</strong>s, Sf et Nf<br />
sont respectivement <strong>la</strong> surface d’un feuillet et le nombre <strong>de</strong> feuillets argileux. Si<br />
l’argile n’est pas pure et contient une fraction θ <strong>de</strong> minéraux argileux, on peut écrire :<br />
3. APPROCHES PHENOMENOLOGIQUES<br />
(2.14)<br />
Ces approches sont <strong>de</strong>stinées aux milieux non saturés bien que certains auteurs<br />
aient introduit <strong>la</strong> notion <strong>de</strong> succion totale afin d’intégrer le rôle <strong>de</strong> <strong>la</strong> chimie. La<br />
pression générée due à cette succion est supposée isotrope.<br />
Deux types <strong>de</strong> modèles sont à distinguer:<br />
• les modèles en contraintes effectives,<br />
• le modèle d’Alonso et Gens.<br />
3 . 1 MODELES EN CONTRAINTES EFFECTIVES<br />
Ce type d’approche est basé sur le principe développé par Terzaghi qui suppose<br />
que, dans un milieu poreux saturé et non réactif, <strong>la</strong> contrainte appliquée est égale à<br />
<strong>la</strong> somme <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression interstitielle supportée par <strong>la</strong> phase aqueuse P avec <strong>la</strong><br />
contrainte effective supportée par <strong>la</strong> phase soli<strong>de</strong> :<br />
(2.15)<br />
Biot puis Vincké et al, [46] ont amélioré <strong>la</strong> formu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> Terzaghi par<br />
l’introduction <strong>de</strong>s coefficients <strong>de</strong> Biot Oij qui dépen<strong>de</strong>nt <strong>de</strong> <strong>la</strong> compressibilité du<br />
squelette et du soli<strong>de</strong>. Dans le cas o`u le matériau est isotrope, on peut écrire :<br />
(2.16)<br />
Le modèle présenté rejoint celui <strong>de</strong> Terzaghi dans le cas où β = 1<br />
, ce qui est<br />
équivalent à dire que le squelette est déformable et incompressible.<br />
Dans un milieu non saturé et non réactif, Bishop et al, [46] ont été parmi les<br />
premiers à avoir formulé un modèle basé sur <strong>la</strong> contrainte effective pour modéliser le<br />
comportement <strong>de</strong>s sols non saturés suite à une variation <strong>de</strong> succion (ua - uw) . Ce<br />
modèle peut s’écrire sous <strong>la</strong> forme suivante :<br />
46
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
f est un paramètre fonction du <strong>de</strong>gré <strong>de</strong> saturation.<br />
(2.17)<br />
Croney et al, [46] ont utilisé <strong>la</strong> notion <strong>de</strong> contrainte effective pour simuler le<br />
'<br />
comportement <strong>de</strong>s sols non saturés par l’introduction d’un paramètre d’état β . Leur<br />
modèle est le suivant :<br />
(2.18)<br />
Ces différentes expressions <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte effective sont utilisées dans le cas d’un<br />
matériau non saturé et ne présentent pas d’interactions physico-<strong>chimique</strong>s entre <strong>la</strong><br />
phase soli<strong>de</strong> et <strong>la</strong> phase liqui<strong>de</strong>.<br />
La prise en compte <strong>de</strong> l’effet physico-<strong>chimique</strong> <strong>de</strong>s argiles se traduit par l’ajout à <strong>la</strong><br />
contrainte effective <strong>de</strong>s contraintes isotropes <strong>de</strong> répulsion (R) et d’attraction (A).<br />
La figure 2 4 illustre les forces électrostatiques d’une part et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong>s pores<br />
d’autre part. Ces forces sont maintenues par les liaisons <strong>de</strong> cimentation dont les<br />
propriétés mécaniques varient avec l’imbibition.<br />
Figure. 2.4 Forces microscopiques [46]<br />
Lambe cité Par [46] a suggéré d’ajouter à <strong>la</strong> formu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> Terzaghi les forces<br />
électrostatiques <strong>de</strong> répulsion (R) et d’attraction (A).<br />
(2.19)<br />
Pour les milieux non saturés, Sridharan et Venkatappa cité Par [46], ont proposé<br />
<strong>la</strong> formu<strong>la</strong>tion suivante:<br />
(2.20)<br />
La difficulté rési<strong>de</strong> dans <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong> ces forces électrostatiques qui sont<br />
reliées aux propriétés microscopiques <strong>de</strong>s argiles.<br />
47
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
Fonesca et Chenevert, cité par 46] ont utilisé l’activité <strong>de</strong> l’eau <strong>de</strong>s pores pour<br />
déterminer <strong>la</strong> force électrostatique (R - A) d’une argilite mise en contact avec <strong>de</strong> l’eau<br />
:<br />
(2.21)<br />
Dans le cadre du forage pétrolier, Lal, cité Par [46] a pris en compte l’efficacité u<br />
<strong>de</strong> l’argilite pour déterminer <strong>la</strong> pression <strong>de</strong>s pores :<br />
(2.22)<br />
Pw est <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> <strong>la</strong> boue <strong>de</strong> forage, Pc est <strong>la</strong> pression capil<strong>la</strong>ire et Δ π est <strong>la</strong><br />
pression osmotique.<br />
Ghassemi et Diek et Sherwood cité Par [46] ont utilisé le potentiel <strong>chimique</strong> afin<br />
<strong>de</strong> déterminer les déformations <strong>de</strong>s argilites mises en contact avec <strong>de</strong>s solutions<br />
<strong>chimique</strong>s.<br />
L’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> chimie est pris en compte par une différence <strong>de</strong> potentiel <strong>chimique</strong><br />
entre les constituants <strong>de</strong> l’eau <strong>de</strong>s pores et <strong>la</strong> solution <strong>chimique</strong> externe.<br />
Dans le cadre <strong>de</strong> <strong>la</strong> poroé<strong>la</strong>sticité linéaire, leur formu<strong>la</strong>tion est <strong>la</strong> suivante (pour <strong>la</strong><br />
convention <strong>de</strong> signe, les contraintes <strong>de</strong> compression sont positives) :<br />
(2.23)<br />
μ β β et w sont respectivement le potentiel <strong>chimique</strong> et le coefficient osmotique <strong>de</strong><br />
l’espèce ionique β . Pour simplifier l’expression <strong>de</strong>s potentiels <strong>chimique</strong>s, on suppose<br />
que l’eau <strong>de</strong>s pores et <strong>la</strong> solution externe sont non idéales. Le potentiel <strong>chimique</strong> µ,<br />
rapporté au volume mo<strong>la</strong>ire <strong>de</strong> l’eau, peut écrire :<br />
La contrainte <strong>chimique</strong> générée peut être écrite sous <strong>la</strong> forme suivante<br />
Dans le cas où <strong>la</strong> contrainte appliquée est constante, on peut écrire :<br />
(2.24)<br />
(2.25)<br />
48
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
Au temps <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong>, le gonflement est :<br />
(2.26)<br />
(2.27)<br />
Lorsque le tenseur d’é<strong>la</strong>sticité est indépendant du potentiel <strong>chimique</strong>, le<br />
gonflement ne varie pas avec <strong>la</strong> contrainte initialement appliquée. Ce<strong>la</strong> n’a pas été<br />
observé par l’approche <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche.<br />
Les différentes formu<strong>la</strong>tions mentionnées ne sont pas spécifiques aux milieux<br />
argileux car <strong>la</strong> force osmotique n’est pas celle <strong>de</strong> répulsion électrostatique.<br />
Une simple comparaison entre les essais <strong>de</strong> gonflement libre effectués par<br />
Daupley cité Par [46] sur l’argilite <strong>de</strong> Tournemire et par Aboubeker et Mamoune cité<br />
Par [46], sur <strong>la</strong> bentonite <strong>de</strong> Maghnia nous amène à penser que le potentiel <strong>chimique</strong><br />
n’est pas un facteur déterminant du gonflement. Bien que le gonflement diminue<br />
avec <strong>la</strong> concentration du sel dissous, l’argilite <strong>de</strong> Tournemire réagit davantage avec<br />
le NaCl alors que <strong>la</strong> bentonite réagit, quant à elle, avec le CaCl2.<br />
En raisonnant en potentiel <strong>chimique</strong>, il faut que le gonflement soit plus élevé pour<br />
un sel <strong>de</strong> NaCl que pour un sel <strong>de</strong> CaCl2. Cependant, cette hiérarchie n’a pas été<br />
observée sur <strong>la</strong> bentonite.<br />
Afin <strong>de</strong> prendre en compte les effets électro<strong>chimique</strong>s entre l’eau <strong>de</strong>s pores et <strong>la</strong><br />
solution externe, Molenaar et Huyghe cité Par [46] ont utilisé le potentiel<br />
électro<strong>chimique</strong> qui peut s’écrire sous <strong>la</strong> forme suivante :<br />
(2.28)<br />
e β est <strong>la</strong> charge électrique <strong>de</strong> l’espèce ionique β , F est <strong>la</strong> constante <strong>de</strong> Faraday et<br />
e est le potentiel électrique.<br />
Cette formu<strong>la</strong>tion est utilisée dans une formu<strong>la</strong>tion semb<strong>la</strong>ble à celle <strong>de</strong> l’équation<br />
2.28. Mécaniquement, les essais d’effondrement effectués par Jennings et Bur<strong>la</strong>nd<br />
puis par Cui et al, cité Par [46], font apparaître <strong>la</strong> limite du concept <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte<br />
effective.<br />
Cui et al, cité Par [46], ont effectué <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement œdométriques sur<br />
<strong>de</strong>s échantillons <strong>de</strong> Loess <strong>de</strong> Picardie. Les échantillons sont imbibés sous<br />
contraintes constantes élevées, ce qui entraîne leur effondrement.<br />
Ce comportement (gonflement ou effondrement) dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte<br />
49
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
appliquée. Si on résonne en contrainte effective, l’imbibition <strong>de</strong>s matériaux argileux<br />
entraîne une diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte effective, puis un gonflement, ce qui n’est<br />
pas observable expérimentalement pour <strong>de</strong>s contraintes dépassant une certaine<br />
limite.<br />
Pour une contrainte nulle, Freissmuth cité Par [46], a observé un effondrement<br />
complet <strong>de</strong>s échantillons d’argilite <strong>de</strong> Bure lorsqu’ils sont immergés dans l’eau. Cet<br />
effondrement ne peut pas être aussi expliqué par <strong>la</strong> notion <strong>de</strong> contrainte effective.<br />
3.2 MODELE D’ALONSO ET GENS<br />
Alonso et al, cité par cité Par [46], ont développé un modèle é<strong>la</strong>sto-p<strong>la</strong>stique<br />
étendant le modèle <strong>de</strong> Cam-C<strong>la</strong>y aux milieux non saturés. Ce modèle permet<br />
d’expliquer plusieurs phénomènes :<br />
• Augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> cohésion avec l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
consolidation, développement d’un gonflement réversible suite à <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> succion sous faibles contraintes <strong>de</strong> confinement,<br />
• Effondrement du sol si <strong>la</strong> succion diminue sous <strong>de</strong> fortes valeurs <strong>de</strong><br />
contraintes <strong>de</strong> confinement,<br />
• Déformations volumiques irréversibles pour <strong>de</strong>s succions dépassant <strong>la</strong> limite<br />
é<strong>la</strong>stique <strong>de</strong> succion.<br />
Le modèle est basé sur <strong>de</strong>ux surfaces <strong>de</strong> charge :<br />
• La première est liée au comportement mécanique <strong>de</strong> type Cam-C<strong>la</strong>y LC<br />
(Loading Col<strong>la</strong>pse),<br />
• La <strong>de</strong>uxième est liée à <strong>la</strong> succion SI (Suction Increase).<br />
Les surfaces <strong>de</strong> charge délimitent une zone é<strong>la</strong>stique réversible et sont exprimées<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> façon suivante:<br />
(2.29)<br />
(2.30)<br />
p0 est <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> surconsolidation, s0 est un paramètre <strong>de</strong> surconsolidation lié<br />
à <strong>la</strong> succion, il s’agit <strong>de</strong> <strong>la</strong> valeur maximum <strong>de</strong> succion subie dans l’histoire hydrique<br />
du sol.<br />
Si le chemin <strong>de</strong> contraintes ou <strong>de</strong> succions dépasse <strong>la</strong> zone é<strong>la</strong>stique, il se produit<br />
une déformation irréversible et un écrouissage du matériau qui fait évoluer les<br />
surfaces <strong>de</strong> charge.<br />
50
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
Figure. 2.5 : Surfaces <strong>de</strong> charge sous chargement isotrope [6] cité Par [46]<br />
Le modèle d’Alonso et Gens présente une certaine limitation en terme <strong>de</strong><br />
réversibilité. En effet, un essai <strong>de</strong> gonflement-retrait sans contrainte, effectué sur<br />
l’argilite <strong>de</strong> Bure à une température <strong>de</strong> 30°C et pou r un chemin d’humidification par<br />
paliers correspondant à Hr : 60–70–80 % suivi par une <strong>de</strong>ssiccation jusqu’à Hr <strong>de</strong><br />
70 %, se manifeste par une irréversibilité (Figure 2.5).<br />
Cependant, l’humidité re<strong>la</strong>tive initiale est approximativement égale à 47 % correspondant<br />
à une succion initiale S0 <strong>de</strong> 105.76 MPa.<br />
D’après ce modèle, le chemin d’humidification-<strong>de</strong>ssiccation suivi reste dans le<br />
domaine é<strong>la</strong>stique et ce<strong>la</strong> pour une pression d’air égale à <strong>la</strong> pression atmosphérique<br />
(ua = 0).<br />
Par ailleurs, ce modèle ne peut pas être étendu aux sols gonf<strong>la</strong>nts. Ceci est dû<br />
principalement à <strong>la</strong> complexité <strong>de</strong>s phénomènes à l’échelle microscopiques, surtout<br />
d’ordre <strong>chimique</strong>.<br />
De plus, <strong>la</strong> modélisation nécessite un grand nombre <strong>de</strong> données expérimentales<br />
et difficilement applicables pour <strong>de</strong>s roches anisotropes comme l’argilite. Le modèle<br />
est basé sur <strong>de</strong>s notions caractéristiques <strong>de</strong>s sols comme le comportement<br />
sousconsolidé et surconsolidé.<br />
4 APPROCHES BASEES SUR DES MODELES DE GONFLEMENT<br />
Ce type d’approches est basé sur <strong>de</strong>s expériences réalisées en <strong>la</strong>boratoire. Ces<br />
approches ne prennent en considération ni les caractéristiques mécaniques du<br />
matériau argileux (module Young, coefficient <strong>de</strong> Poisson, ...) ni les propriétés<br />
électro<strong>chimique</strong>s <strong>de</strong>s minéraux argileux. Trois types <strong>de</strong> modèles sont à distinguer :<br />
• les modèles indépendants du temps,<br />
• les modèles dépendants du temps,<br />
• les modèles basés sur l’humidité re<strong>la</strong>tive et sur l’activité.<br />
4.1 MODELES INDEPENDANTS DU TEMPS<br />
Ces modèles ne prennent en compte ni le temps ni le chimisme <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution<br />
d’hydratation, le gonflement obtenu correspondant au gonflement maximal au temps<br />
51
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
infini ou au temps <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong>. On en distingue <strong>de</strong>ux :<br />
• Les modèles unidirectionnels,<br />
• Les modèles tridirectionnels.<br />
4.1.1 Modèles unidirectionnels<br />
ε g<br />
Hu<strong>de</strong>r et Amberg cité Par [46], ont relié <strong>la</strong> déformation axiale du gonflement au<br />
σ<br />
logarithme <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte axiale a par une équation linéaire <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme suivante :<br />
ε g<br />
K est l’indice <strong>de</strong> gonflement, est <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.<br />
(2.31)<br />
σ<br />
Cette équation n’est va<strong>la</strong>ble que pour les contraintes a<br />
σ<br />
comprises entre c et<br />
σ g σ c est <strong>la</strong> contrainte en-<strong>de</strong>ssous <strong>de</strong> <strong>la</strong>quelle il n’y a plus <strong>de</strong> gonflement.<br />
La formu<strong>la</strong>tion générale <strong>de</strong> <strong>la</strong> loi peut être écrite <strong>de</strong> <strong>la</strong> manière suivante:<br />
4.1.2 Modèles tridirectionnels<br />
(2.32)<br />
Wittke et al, cité Par [46], se sont appuyés sur le modèle d’Hu<strong>de</strong>r et Amberg pour<br />
passer du gonflement unidirectionnel au gonflement tridirectionnel en se basant sur<br />
un comportement é<strong>la</strong>stique linéaire isotrope.<br />
D’après leur modèle : c’est <strong>la</strong> contrainte moyenne qui comman<strong>de</strong><br />
le gonflement. Dans le cas œdométrique, <strong>la</strong> déformation volumique ε v est égale à <strong>la</strong><br />
déformation axialeε a .<br />
En utilisant l’équation d’Hu<strong>de</strong>r et Amberg, le gonflement tridirectionnel peut alors<br />
être écrit comme suit :<br />
g<br />
I Iε<br />
et<br />
contraintes.<br />
(2.33)<br />
g<br />
I Iσ<br />
sont respectivement les premiers invariants <strong>de</strong>s déformations et <strong>de</strong>s<br />
52
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
Froehlich, cité Par [46], s’est basé sur <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement non confinés<br />
<strong>la</strong>téralement réalisés sur <strong>de</strong>s roches argileuses et sur le modèle d’Hu<strong>de</strong>r et Amberg<br />
pour mettre en évi<strong>de</strong>nce une forte anisotropie du gonflement à cause <strong>de</strong> <strong>la</strong> répartition<br />
parallèle <strong>de</strong>s feuillets argileux. Il a développé un modèle é<strong>la</strong>stique isotrope qui prend<br />
en considération le gonflement normal au p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> <strong>la</strong> stratification en négligeant le<br />
gonflement parallèle à ce p<strong>la</strong>n. Le modèle peut s’écrire <strong>de</strong> <strong>la</strong> manière suivante :<br />
n<br />
ij<br />
i<br />
j<br />
(2.34)<br />
(2.35)<br />
σ = σ . n . est <strong>la</strong> contrainte normale à <strong>la</strong> stratification, n est le vecteur normal à <strong>la</strong><br />
stratification, E est le module <strong>de</strong> Young et ν est le coefficient <strong>de</strong> Poisson.<br />
Anagnostou, cité Par [46], s’est inspiré du modèle d’Hu<strong>de</strong>r et Amberg pour<br />
développer un modèle <strong>de</strong> gonflement tridirectionnel pour <strong>de</strong>s matériaux argileux<br />
g<br />
anisotropes. Le tenseur du gonflement ε peut s’écrire comme suit :<br />
(2.36)<br />
σ Est le tenseur <strong>de</strong>s contraintes totales, σ g est le tenseur <strong>de</strong>s pressions <strong>de</strong><br />
gonflement, β est le tenseur d’anisotropie et K est l’indice <strong>de</strong> gonflement. Le<br />
tenseur d’anisotropie β s’écrit <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme suivante :<br />
( 2.37)<br />
Le paramètre β a permet d’étudier le caractère anisotrope <strong>de</strong> gonflement. A titre<br />
d’exemple :<br />
Pour β a = 0, le gonflement est isotrope et ne possè<strong>de</strong> pas <strong>de</strong> directions<br />
privilégiées,<br />
Pour β a = 1, le gonflement est marqué suivant <strong>la</strong> direction normale à <strong>la</strong><br />
stratification. Par contre, le gonflement parallèle à <strong>la</strong> stratification est nul.<br />
53
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
L’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> confinement U3 sur le gonflement axial e1 <strong>de</strong>s<br />
roches argileuses a été étudiée par Yesil et al, cité Par [46], au moyen <strong>de</strong> l’appareil<br />
triaxial. D’après les auteurs : le gonflement axial augmente avec <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
confinement. Le modèle peut s’écrire <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme suivante :<br />
(2.38)<br />
a, b, c et d sont les paramètres du modèle dépendant du pourcentage <strong>de</strong>s<br />
minéraux argileux, <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale et <strong>de</strong> <strong>la</strong> température.<br />
4.2 MODELES DEPENDANTS DU TEMPS<br />
Parmi les modèles dépendants du temps, on en distingue <strong>de</strong>ux :<br />
• les modèles unidirectionnels,<br />
• les modèles tridirectionnels.<br />
4.2.1 Modèles unidirectionnels<br />
A partir <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement libre œdométrique effectués sur <strong>de</strong>s sols<br />
argileux, Dakshanamurthy, Vayssa<strong>de</strong>, Parcevaux , Sivapul<strong>la</strong>iah et al et Al-Mukhtar et<br />
al, cité Par [46], ont représenté l’évolution du gonflement en fonction du temps par<br />
une fonction hyperbolique en forme <strong>de</strong> S. Ces auteurs ont distingué trois types <strong>de</strong><br />
gonflement :<br />
• Gonflement intervi<strong>de</strong> : correspondant au remplissage <strong>de</strong>s vi<strong>de</strong>s <strong>de</strong>s<br />
matériaux non gonf<strong>la</strong>nts: ce gonflement n’est pas apparent macroscopiquement, il<br />
dépend <strong>de</strong> l’indice <strong>de</strong>s vi<strong>de</strong>s et du pourcentage <strong>de</strong>s matériaux gonf<strong>la</strong>nts et non<br />
gonf<strong>la</strong>nts.<br />
• Gonflement primaire : dû à l’hydratation <strong>de</strong>s minéraux argileux : il est le plus<br />
rapi<strong>de</strong> à se manifester et présente <strong>la</strong> plus gran<strong>de</strong> ampleur.<br />
• Gonflement secondaire : dû à <strong>la</strong> formation <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse : il se<br />
manifeste lentement avec une faible vitesse <strong>de</strong> gonflement.<br />
Leur approche, intégrant ces trois types <strong>de</strong> gonflement, peut être simplifiée par<br />
l’équation suivante :<br />
(2.39)<br />
G est le taux <strong>de</strong> gonflement maximal pour un temps infini et B est le temps du<br />
<strong>de</strong>mi-gonflement.<br />
4.2.2 Modèles tridirectionnels<br />
La modélisation <strong>de</strong> l’évolution du gonflement tridirectionnel en fonction <strong>de</strong>s<br />
contraintes a été étudiée aux moyens <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> déchargement <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte<br />
axiale en mesurant simultanément le gonflement axial et horizontal <strong>de</strong>s échantillons<br />
54
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
mis en contact avec <strong>de</strong> l’eau.<br />
Kiehl a effectué <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement tridirectionnel sur <strong>de</strong>s roches<br />
argileuses. Il a montré, à partir <strong>de</strong>s résultats, que le gonflement dans une direction<br />
principale i, induit par un déchargement, dépend uniquement <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte<br />
normale suivant cette direction. La formu<strong>la</strong>tion analytique <strong>de</strong> <strong>la</strong> loi du gonflement<br />
s’écrit <strong>de</strong> <strong>la</strong> manière suivante :<br />
Avec :<br />
(2.40)<br />
(2.41)<br />
Suivant une direction i, on distingue le gonflementε gi , <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
σ gi et l’indice <strong>de</strong> gonflement Ki.<br />
Lo et Lee, cité Par [46], ont développé un modèle pour tenir compte <strong>de</strong> l’évolution<br />
du gonflement <strong>de</strong>s roches argileuses anisotropes en fonction du temps.<br />
D’après ce modèle : l’application <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte dans une direction principale non<br />
seulement supprime le gonflement dans cette direction mais réduit aussi le<br />
gonflement dans les autres directions orthogonales.<br />
Dans le cas uniaxial et pour <strong>de</strong>s matériaux orthotropes, le modèle peut s’écrire <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> forme suivante:<br />
(2.42)<br />
(2.43)<br />
σ a et σ 0 sont respectivement le gonflement axial (Dh étant le gonflement radial)<br />
pour une contrainte axiale <strong>de</strong> 1 KPa et l’indice <strong>de</strong> gonflement axial (Sh est l’indice du<br />
gonflement radial). La cinétique du gonflement est décrite par le coefficient ng. Plus<br />
Sh diminue, plus le gonflement radial <strong>de</strong>vient indépendant <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression axiale.<br />
Haw<strong>la</strong><strong>de</strong>r et al, ont amélioré le modèle <strong>de</strong> Lo et al, cité Par [46], par introduction<br />
d’un pseudo coefficient <strong>de</strong> Poisson. D’après les auteurs : l’application <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
contrainte suivant une direction principale réduit le gonflement suivant les trois<br />
directions.<br />
55
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
Le modèle consiste à passer d’une situation triaxiale à une situation uniaxiale par<br />
ajout <strong>de</strong> contraintes virtuelles.<br />
A titre d’exemple, pour calculer le gonflement, suivant <strong>la</strong> direction x, d’un<br />
échantillon soumis à <strong>de</strong>s contraintes principales ( σ x , σ y σ z ), il suffit d’ajouter à <strong>la</strong><br />
*<br />
*<br />
contrainte σ x <strong>de</strong>ux autres contraintes virtuelles σ xy etσ xz . Le vecteur <strong>de</strong>s<br />
TS<br />
contraintes virtuelles <strong>de</strong>vient ( σ x , 0, 0).<br />
En général, <strong>la</strong> contrainte à appliquer suivant une direction i nécessaire à éliminer<br />
les effets <strong>de</strong>s autres contraintes peut être écrite sous <strong>la</strong> forme :<br />
Avec<br />
Et<br />
Le gonflement généré est alors égal :<br />
mi (0) est le gonflement pour une contrainte égale à σ c et<br />
(2.44)<br />
(2.45)<br />
(2.46)<br />
(2.47)<br />
TS<br />
R i est le coefficient <strong>de</strong><br />
réduction du gonflement suivant une direction i qui peut s’écrire <strong>de</strong> <strong>la</strong> manière<br />
suivante :<br />
(2.48)<br />
σ c est une pression <strong>de</strong> référence, R ij est le coefficient <strong>de</strong> réduction du<br />
gonflement suivant <strong>la</strong> direction i due à une contrainte suivant <strong>la</strong> direction j et<br />
<strong>la</strong> contrainte virtuelle appliquée suivant <strong>la</strong> direction i.<br />
*<br />
σ ij est<br />
Pour une direction principale i, l’évolution du gonflement en fonction du temps suit<br />
une loi logarithmique :<br />
56
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
t0 est un temps <strong>de</strong> référence et mi est le potentiel <strong>de</strong> gonflement.<br />
(2.49)<br />
Ce modèle suppose que les pressions <strong>de</strong> gonflement suivant les trois directions<br />
sont i<strong>de</strong>ntiques et valentσ g . Cependant, l’anisotropie du gonflement est introduite<br />
par mi(0).<br />
4.3 MODELES BASES SUR L’HUMIDITE RELATIVE OU L’ACTIVITE<br />
Huang et Azar cité Par [46], ont développé un modèle empirique pour prédire <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement maximale <strong>de</strong>s échantillons d’argilites immergés dans l’eau<br />
dans <strong>de</strong>s conditions uniaxiales.<br />
Les auteurs ont développé un coefficient d’activité IHr égal à <strong>la</strong> variation re<strong>la</strong>tive <strong>de</strong><br />
masse d’un échantillon (initialement séché dans l’étuve) mis en équilibre avec une<br />
humidité re<strong>la</strong>tive <strong>de</strong> 20 % puis <strong>de</strong> 100 %.<br />
D’après les essais effectués sur <strong>de</strong>s roches possédant différentes humidités<br />
initiales, les auteurs ont déduit que le coefficient IHr est un bon indicateur du<br />
comportement <strong>de</strong>s argilites immergées dans l’eau. Ils ont distingué trois cas :<br />
o IHr < 1 ⇒ <strong>la</strong> roche est stable (pas d’influence <strong>de</strong> l’eau),<br />
o 1 < IHr < 4 ⇒ <strong>la</strong> roche est susceptible d’agir avec le changement du <strong>de</strong>gré<br />
hygrométrique,<br />
o 4 < IHr < 7 ⇒ <strong>la</strong> roche se détériore complètement lors <strong>de</strong> son immersion<br />
dans l’eau. La pression du gonflement maximale Pmax <strong>de</strong>s échantillons<br />
immergés dans l’eau augmente avec l’augmentation du coefficient d’activité<br />
IHr et avec <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong> l’humidité re<strong>la</strong>tive initiale Hr (%) :<br />
(2.50)<br />
Les effets <strong>de</strong> <strong>la</strong> température T (°C) et <strong>de</strong> l’humidit é sur le gonflement libre maximal<br />
Smax et <strong>la</strong> pression du gonflement maximale Pmax ont été étudiés par Wang et al. et<br />
Huang et al, cité Par [46], à partir d’une série d’essais expérimentaux réalisés en<br />
<strong>la</strong>boratoire sur <strong>de</strong>s échantillons <strong>de</strong> roches argileuses. Ces <strong>de</strong>ux gran<strong>de</strong>urs sont<br />
décrites par les équations suivantes :<br />
(2.51)<br />
La pression <strong>de</strong> gonflement maximale ainsi que le gonflement maximal<br />
correspondant à une enveloppe <strong>de</strong>s mesures <strong>de</strong>s différentes roches testées.<br />
57
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
La prise en compte <strong>de</strong> l’activité <strong>chimique</strong> <strong>de</strong> l’eau <strong>de</strong>s pores ap et du flui<strong>de</strong><br />
hydratant as a été adoptée par Yew et al, cité Par [46], afin <strong>de</strong> modéliser le<br />
gonflement ε g et le retrait ε r <strong>de</strong>s argilites sans contraintes. Leur modèle est basé<br />
sur <strong>la</strong> notion d’activité re<strong>la</strong>tive ar définie comme suit<br />
Selon ce rapport, trois cas sont à considérer :<br />
(2.52)<br />
o ar < 1 ⇒ l’argilite absorbe l’eau et gonfle. Le gonflement est alors décrit par<br />
l’équation suivante :<br />
(2.53)<br />
o ar > 1 ⇒ l’argilite désorbe l’eau et se contracte. Le retrait est alors écrit <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> manière suivante:<br />
o ar = 1 ⇒ l’argilite ne réagit pas.<br />
(4.54)<br />
Kad et Kds sont respectivement les coefficients d’adsorption et <strong>de</strong> désorption et<br />
sont déterminés expérimentalement.<br />
5. LES MODELES DE L'ADSORPTION<br />
Deux types <strong>de</strong> modélisation <strong>de</strong>s phénomènes d’interaction <strong>de</strong>s ions avec les<br />
argiles ont été relevés dans <strong>la</strong> littérature [39]:<br />
• Le premier s’intéresse à l’aspect molécu<strong>la</strong>ire <strong>de</strong> l’adsorption, en considérant<br />
<strong>de</strong>s mécanismes <strong>de</strong> complexation <strong>de</strong> surface ou d’interaction électrostatique entre<br />
les ions et <strong>la</strong> surface chargée du matériau.<br />
• Le <strong>de</strong>uxième type <strong>de</strong> modélisation rend compte <strong>de</strong>s phénomènes au niveau<br />
macroscopique, c’est <strong>la</strong> théorie <strong>de</strong>s échangeurs d’ions.<br />
5.1 LES MODELES DE COMPLEXATION DE SURFACE<br />
5.1.1. Complexes <strong>de</strong> sphère interne et externe<br />
Les complexes qui se forment entre <strong>de</strong>s groupements fonctionnels <strong>de</strong> surface et<br />
<strong>de</strong>s constituants d'une solution aqueuse peuvent se c<strong>la</strong>sser en <strong>de</strong>ux gran<strong>de</strong>s<br />
catégories, <strong>de</strong> manière analogue aux complexes formés uniquement en solution<br />
aqueuse. [39].<br />
Si aucune molécule d'eau ne s'interpose entre le groupement fonctionnel <strong>de</strong><br />
surface et <strong>la</strong> molécule ou l'ion auquel il est lié, le complexe est dit <strong>de</strong> sphère interne.<br />
Si une molécule d'eau au moins s'interpose entre eux, le complexe est dit <strong>de</strong><br />
58
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
sphère externe (Figure 1.8).<br />
De manière générale, les complexes <strong>de</strong> sphère externe mettent en jeu <strong>de</strong>s<br />
mécanismes électrostatiques, et sont souvent moins stables que les complexes <strong>de</strong><br />
sphère interne, qui eux mettent en jeu <strong>de</strong>s liaisons ioniques, voire covalentes. [39].<br />
Figure 2.6. a: Complexe <strong>de</strong> sphère interne, ). b: Complexe <strong>de</strong> sphère externe [39]<br />
Il n'y a pas <strong>de</strong> molécules d'eau entre le cation et <strong>la</strong> surface. C'est le cas <strong>de</strong>s<br />
cations <strong>de</strong> faible énergie d'hydratation, ici le césium (280 kJ/mol) sur <strong>la</strong> figure (2.6.a).<br />
La figure (2.6.b) monte <strong>la</strong> complexe <strong>de</strong> sphère externe, le cation reste totalement<br />
hydraté. C'est le cas <strong>de</strong>s cations possédant une énergie d'hydratation élevée,<br />
comme le sodium (421 kJ/mol). [39].<br />
5.1.2 Les différents mécanismes d'adsorption<br />
L'environnement molécu<strong>la</strong>ire perturbé <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface argileuse, dû à <strong>la</strong> réduction du<br />
<strong>de</strong>gré <strong>de</strong> coordination <strong>de</strong>s ions par rapport à <strong>la</strong> structure interne <strong>de</strong>s feuillets, donne<br />
lieu à une réactivité <strong>de</strong> surface avec les solutés présents dans <strong>la</strong> solution aqueuse.<br />
Cette réactivité produit une accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> matière à l'interface liqui<strong>de</strong> - soli<strong>de</strong>.<br />
Si aucune structure molécu<strong>la</strong>ire tridimensionnelle (précipité <strong>de</strong> surface) ne se<br />
développe, ce processus d'accumu<strong>la</strong>tion est noté adsorption. [39].<br />
Trois principaux mécanismes d'adsorption ont pu être c<strong>la</strong>irement i<strong>de</strong>ntifiés [39]:<br />
• Tout d'abord il peut se former <strong>de</strong>s complexes <strong>de</strong> sphère interne, qui mettent<br />
alors en jeu <strong>la</strong> cavité hexagonale <strong>de</strong>s argiles<br />
• Ensuite, les cations adsorbés peuvent apparaître sous forme <strong>de</strong> complexes <strong>de</strong><br />
sphère externe, qui incluent <strong>la</strong> sphère <strong>de</strong> solvatation <strong>de</strong>s cations. Enfin, si l'ion<br />
solvaté ne forme pas <strong>de</strong> complexe avec un groupement fonctionnel chargé <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
surface, mais interagit avec <strong>la</strong> surface seulement <strong>de</strong> façon délocalisée, il se trouve<br />
alors dans ce qu'on appelle une couche diffuse.<br />
• Ce <strong>de</strong>rnier mécanisme "d'adsorption" met en jeu <strong>de</strong>s ions qui <strong>de</strong>meurent<br />
totalement dissociés <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface et sont libres <strong>de</strong> se dép<strong>la</strong>cer dans <strong>la</strong> solution<br />
aqueuse environnante.<br />
La formation d'une couche diffuse, comme celle <strong>de</strong> complexes <strong>de</strong> sphère externe,<br />
fait essentiellement intervenir <strong>de</strong>s liaisons <strong>de</strong> type électrostatiques, et ces <strong>de</strong>ux<br />
59
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
mécanismes peuvent être décrits comme <strong>de</strong> "l'adsorption" non spécifique. Ces<br />
espèces solvatées sont couramment appelées ions échangeables. En revanche, <strong>la</strong><br />
complexation en sphère interne, qui fait intervenir <strong>de</strong>s liaisons ioniques ou<br />
covalentes, peut être décrite comme une adsorption spécifique. Elle peut intervenir<br />
même si l'ion et <strong>la</strong> surface sont <strong>de</strong> même signe, et il est possible que <strong>la</strong> quantité<br />
d'ions adsorbés excè<strong>de</strong> <strong>la</strong> charge <strong>de</strong> surface du minéral, conduisant alors à une<br />
inversion <strong>de</strong> <strong>la</strong> charge. [39].<br />
5.1.3 Sélectivité <strong>de</strong> l'adsorption<br />
Dans un échange non sélectif, <strong>la</strong> proportion re<strong>la</strong>tive <strong>de</strong>s cations (typiquement ceux<br />
possédant une énergie d'hydratation élevée, comme le lithium, le sodium ou le<br />
calcium) "adsorbés" par l'argile est égale à leur proportion re<strong>la</strong>tive en solution. Au<br />
contraire dans le cas d'une adsorption sélective, certains cations (typiquement ceux<br />
qui ont <strong>de</strong> petites sphères d'hydratation comme le césium ou le potassium) sont<br />
préférentiellement adsorbés par l'argile. La fixation <strong>de</strong>s cations (spécificité) et <strong>la</strong><br />
sélectivité <strong>de</strong> l'échange sont déterminées par l'interaction <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux forces : <strong>la</strong> force<br />
d'attraction du cation pour sa sphère d'hydratation, et l'attraction électrostatique entre<br />
le cation et l'argile. [39].<br />
6. THEORIE DES ECHANGEURS D'IONS<br />
6.1 DEFINITION D'UN ECHANGEUR D'ION<br />
Le phénomène d'échange d'ions peut être invoqué pour tout système constitué<br />
d'au moins <strong>de</strong>ux phases non miscibles présentant les propriétés suivantes [39]:<br />
• La phase soli<strong>de</strong> (constituant l'échangeur d'ions) imprégnée <strong>de</strong> liqui<strong>de</strong>,<br />
développe à sa surface <strong>de</strong>s charges positives ou négatives qui sont alors<br />
exactement compensées par <strong>de</strong>s charges <strong>de</strong> signe opposé apportées par les ions<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> solution. L'ensemble (soli<strong>de</strong>, ions compensateurs) constitue <strong>la</strong> phase<br />
échangeuse d'ions. Sa charge totale nette doit être nulle.<br />
• Les charges portées par le soli<strong>de</strong> sont soit localisées au niveau <strong>de</strong><br />
groupements fonctionnels ionisés (par exemple les groupes si<strong>la</strong>nol ou aluminol en<br />
bordure <strong>de</strong>s feuillets d'argile), soit délocalisées (par exemple <strong>la</strong> charge<br />
permanente résultant <strong>de</strong> substitutions isomorphiques au sein du cristal argileux).<br />
On considère que les zones <strong>de</strong> surface où sont concentrées les charges<br />
électrostatiques constituent <strong>de</strong>s sites d'échange d'ions. Dans ces conditions, <strong>la</strong><br />
modélisation ne peut être que <strong>de</strong> nature macroscopique.<br />
6.2. CAPACITE D'ECHANGE<br />
Un échangeur d'ions peut possé<strong>de</strong>r plusieurs types <strong>de</strong> sites réactionnels<br />
constituant <strong>de</strong>s groupes homogènes (ou quasi-homogènes). Le nombre <strong>de</strong> sites par<br />
unité <strong>de</strong> masse ou <strong>de</strong> surface <strong>de</strong> soli<strong>de</strong> est limité pour chacun <strong>de</strong>s différents types.<br />
Cette caractéristique est intrinsèquement liée à <strong>la</strong> nature <strong>de</strong> l'échangeur. Elle<br />
60
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
détermine <strong>la</strong> quantité maximale d'ions <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution pouvant être adsorbée (effet <strong>de</strong><br />
saturation) et régule dans une certaine mesure le phénomène <strong>de</strong> compétition entre<br />
les ions pour <strong>la</strong> neutralisation <strong>de</strong>s sites. [39].<br />
Le nombre <strong>de</strong> sites d'échange Xi est appelé capacité d'échange <strong>de</strong>s sites <strong>de</strong> type i<br />
(CEi exprimée en milliéquivalents par unité <strong>de</strong> masse ou <strong>de</strong> surface <strong>de</strong> l'échangeur).<br />
6.2.1. Calculs <strong>de</strong> constantes<br />
Pour un site monochargé X-i porté par un échangeur cationique, <strong>la</strong> réaction<br />
d'échange impliquant les ions Nn+ et Mm+ s’écrit [39] :<br />
(2.55)<br />
Si <strong>la</strong> réaction est réversible, elle peut alors être décrite à l'ai<strong>de</strong> d'une loi d'action <strong>de</strong><br />
masse et donc caractérisée par une constante thermodynamique appelée coefficient<br />
<strong>de</strong> sélectivité [39] :<br />
où :<br />
[I] : représente <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> l'espèce I adsorbée ou en solution<br />
(2.56)<br />
f : est le coefficient d'activité d'une espèce adsorbée (généralement pris égal à 1)<br />
γ : est le coefficient d'activité d'une espèce en solution.<br />
6.2.2. Influence du Ph<br />
Il est alors aisé <strong>de</strong> déterminer l'influence <strong>de</strong> différents paramètres physico<strong>chimique</strong>s<br />
sur les propriétés d'un échangeur d'ions, en particulier celle du pH. On<br />
considère un échangeur d'ions cationique en équilibre avec une solution aqueuse<br />
contenant uniquement <strong>de</strong>ux cations H+ et M+. La courbe donnant <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> [X-<br />
M] en fonction du pH montre différents paliers correspondant à <strong>la</strong> saturation <strong>de</strong>s<br />
différents types <strong>de</strong> sites réactionnels portés par l'échangeur. Chaque hauteur <strong>de</strong><br />
palier mesure <strong>la</strong> capacité d'échange <strong>de</strong>s sites concernés. Avant d'atteindre un palier,<br />
<strong>la</strong> concentration d'élément adsorbé croît avec le pH ; ce<strong>la</strong> correspond simplement à<br />
un dép<strong>la</strong>cement <strong>de</strong> l'équilibre d'échange d'ions en faveur <strong>de</strong> l'adsorption <strong>de</strong>s ions<br />
M+, l'adsorption <strong>de</strong>s protons étant défavorisée à cause <strong>de</strong> <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong> leur<br />
concentration dans <strong>la</strong> solution. [39].<br />
7. CONCLUSION<br />
L’amplitu<strong>de</strong> du gonflement est strictement influencée par <strong>de</strong>s propriétés<br />
microscopiques (strucuture, texture, minéralogie <strong>de</strong>s argiles, nature et concentration<br />
61
Chapitre Approche théoriques <strong>de</strong> gonflement<br />
d’ions <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution hydratante, ...) et macroscopiques (contraintes appliquées,<br />
anisotropie, humidité, teneur en eau initiale, ...). Ces différents facteurs montrent qu’il<br />
est difficile <strong>de</strong> corréler un comportement macroscopique à <strong>de</strong>s observations<br />
microscopiques.<br />
Le modèle <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche est un modèle <strong>de</strong> base, il explique les<br />
phénomènes à l’échelle microscopique. L’application <strong>de</strong> ce modèle semble être<br />
favorable pour les sols argileux dans le cas o`u l’on maîtrise bien les caractéristiques<br />
<strong>de</strong>s minéraux argileux. Ce modèle nous montre également que <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> porosité, au contraire <strong>de</strong> ceux basés sur <strong>la</strong> pression<br />
osmotique. Néanmoins, dans le cas d’une roche argileuse, o`u <strong>la</strong> texture et <strong>la</strong><br />
structure ne sont pas homogènes, ce modèle est inapplicable.<br />
Les approches phénoménologiques, sont souvent utilisables pour les matériaux<br />
non gonf<strong>la</strong>nts au sens physico-<strong>chimique</strong>. Ces approches supposent que <strong>la</strong> pression<br />
<strong>de</strong>s pores est isotrope en négligeant <strong>de</strong> cette fa¸con l’organisation <strong>de</strong>s feuillets<br />
argileux qui est à l’origine d’une pression anisotrope. L’utilisation <strong>de</strong> tels modèles sur<br />
les argilites contenant un pourcentage élevé <strong>de</strong> minéraux gonf<strong>la</strong>nts comme les<br />
smectites n’est pas réaliste.<br />
Les approches basées sur <strong>de</strong>s modèles <strong>de</strong> gonflement sont reliées directement<br />
aux expérimentations réalisées en <strong>la</strong>boratoire. Elles intègrent <strong>de</strong>s processus<br />
microscopiques sans aucune véritable justification. Ces approches sont les plus<br />
naturelles dans <strong>la</strong> mesure où elles peuvent se baser sur <strong>de</strong>s résultats<br />
expérimentaux.<br />
Les <strong>de</strong>ux modèles, complexation <strong>de</strong> surface et échangeur d'ions, ont été très<br />
<strong>la</strong>rgement utilisés dans <strong>la</strong> littérature pour interpréter les mécanismes d'adsorption<br />
<strong>de</strong>s cations, alcalins ou autres éléments métalliques, avec les minéraux argileux.<br />
Certains résultats vont maintenant être décrits, tant au niveau <strong>de</strong>s données<br />
expérimentales elles-mêmes qu'en ce qui concerne leur modélisation. Ils permettent<br />
<strong>de</strong> mettre en lumière <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion existante entre structure et réactivité <strong>de</strong>s minéraux<br />
argileux considérés.<br />
62
Chapitre 03<br />
1 INTRODUCTION<br />
STABILISATION DES SOLS ARGILEUX<br />
D’après les conséquences <strong>de</strong>s sols expansifs, Plusieurs chercheurs ont étudié <strong>la</strong><br />
<strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols expansifs. Le gonflement <strong>de</strong>s sols argileux est un phénomène<br />
très complexe qui fait intervenir un grand nombre <strong>de</strong> paramètres intrinsèques et<br />
environnants. Cette complexité est due principalement à <strong>la</strong> structure minéralogique<br />
<strong>de</strong> l’argile (mé<strong>la</strong>nge d’illites et montmorillonites).<br />
Au début <strong>de</strong>s années 80, beaucoup d’auteurs se sont intéressés aux problèmes<br />
<strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts et leur <strong>stabilisation</strong>.<br />
Les <strong>de</strong>ux techniques <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>chimique</strong>s les plus utilisées :<br />
Des <strong>stabilisation</strong>s <strong>chimique</strong>s : Ce sont par exemple les sables, les graviers,<br />
utilisés en mé<strong>la</strong>nge avec les argiles gonf<strong>la</strong>ntes. Ces matériaux inertes réduisent le<br />
pourcentage global d’éléments actifs (inférieurs à 2 microns) et réduisent, par <strong>la</strong><br />
même, l’activité du gonflement <strong>de</strong> l’argile. L’efficacité <strong>de</strong> ce mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> traitement sera<br />
fonction du pourcentage d’éléments inertes, <strong>de</strong> leur granulométrie et du mo<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
mise en p<strong>la</strong>ce du mé<strong>la</strong>nge.<br />
Des <strong>stabilisation</strong>s physico-<strong>chimique</strong>s ils sont employés surtout pour <strong>de</strong>s sols<br />
contenant une certaine quantité d’argile. Ils ont pour effet <strong>de</strong> réagir avec <strong>la</strong> fraction<br />
argileuse et <strong>de</strong> modifier leur environnement <strong>chimique</strong> et sa structure minéralogique.<br />
Parmi les <strong>stabilisation</strong>s les plus couramment utilisées on distingue :<br />
• Stabilisation <strong>de</strong> chaux<br />
• Stabilisation au ciment<br />
• Stabilisation cendres vo<strong>la</strong>ntes,<br />
L’organigramme donné par <strong>la</strong> figure 3.1, ai<strong>de</strong> à choisir <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>chimique</strong><br />
appropriée pour un projet.
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Figure 3.1 : Conditions d’utilisation <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> Chimique (Dept. of the Army,<br />
1983), cité par [44].<br />
2. DIVERSES SOLUTIONS UTILISEES COMME STABILISATEUR<br />
D’UN SOL ARGILEUX<br />
Les <strong>de</strong>ux métho<strong>de</strong>s <strong>chimique</strong>s les plus généralement utilisées <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> sont<br />
<strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong> chaux et <strong>de</strong>s additifs <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> au ciment aux mé<strong>la</strong>nges <strong>de</strong> solchaux<br />
et <strong>de</strong> sol-ciment, tels que les cendres vo<strong>la</strong>ntes, pozzo<strong>la</strong>ns, et au phospho<br />
gypsum, peuvent être employés pour augmenter plus les propriétés <strong>de</strong>s sols<br />
<strong>chimique</strong>ment stabilisés surtout le support du sol.<br />
D’une manière générale, les procédés les plus utilisés dans le domaine<br />
géotechnique pour stabiliser les sols argileux sont les suivantes :<br />
2.1 STABILISATION PAR AJOUT DE LA CHAUX<br />
La chaux provoque <strong>de</strong>ux actions différentes dans le sol: une action immédiate, qui<br />
se produit directement après que <strong>la</strong> chaux soit mé<strong>la</strong>ngée au sol et une action à long<br />
terme, qui peut durer entre plusieurs mois et quelques années après <strong>la</strong> mise en<br />
oeuvre.<br />
2.1 1 Action immédiate<br />
i. La chaux vive<br />
La chaux vive diminue <strong>la</strong> teneur en eau du sol via trois phénomènes distincts:<br />
64
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
a. L’hydratation <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux vive: une partie <strong>de</strong> l'eau «disparaît» via <strong>la</strong><br />
réaction exotherme avec <strong>la</strong> chaux vive<br />
CaO + H2O Ca (OH)2 + 15,5 kcal);<br />
b. L’évaporation d'une partie <strong>de</strong> l'eau, provoquée par <strong>la</strong> chaleur dégagée<br />
par l'hydratation <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux vive (15,5 kcal/mol);<br />
c. Ll'apport <strong>de</strong> matière sèche qui diminue le rapport <strong>de</strong> <strong>la</strong> masse d'eau à<br />
<strong>la</strong> masse <strong>de</strong> soli<strong>de</strong> (teneur en eau).<br />
La diminution attendue est <strong>de</strong> 1 % <strong>de</strong> teneur en eau par pourcent <strong>de</strong> chaux vive<br />
introduite. Si les conditions atmosphériques sont bonnes, teneur en eau peut<br />
diminuer encore plus sous les effets du ma<strong>la</strong>xage et du vent.<br />
ii. La chaux éteinte<br />
a. Action à court terme<br />
La chaux éteinte diminue également <strong>la</strong> teneur en eau mais uniquement via l'apport<br />
<strong>de</strong> matière sèche dans le sol. La diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau est limitée à 0,3 %<br />
par pourcent <strong>de</strong> chaux éteinte introduite.<br />
La chaux influe sur les charges électriques se trouvant autour <strong>de</strong>s particules<br />
d'argile et modifie ainsi les champs électriques entre ces particules. Ceci entraîne<br />
leur flocu<strong>la</strong>tion, ce qui à <strong>de</strong>s conséquences non négligeables sur les caractéristiques<br />
géotechniques du sol.<br />
La limite <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité augmente (wP), mais <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité (wL) reste presque<br />
inchangée. Il en découle que l'indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité (IP = wL - wP) diminue.<br />
Figure 3.1 : Variation d’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité en ajout <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux. [14]<br />
La figure (3.1) montre que les phénomènes combinés <strong>de</strong> <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur<br />
en eau naturelle du sol traité et <strong>de</strong> <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong> l'indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité peuvent faire<br />
passer un sol <strong>de</strong> l'état p<strong>la</strong>stique (déformable, col<strong>la</strong>nt -donc difficilement compactable)<br />
à l'état sec (rigi<strong>de</strong>, frottant, friable - donc beaucoup plus facile à travailler).<br />
65
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Le traitement à <strong>la</strong> chaux réduit donc <strong>la</strong> valeur maximale <strong>de</strong> <strong>la</strong> masse volumique<br />
apparente sèche et augmente <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau permettant <strong>de</strong> l'obtenir.<br />
La figure 3.2 montre que <strong>la</strong> courbe Proctor d’un sol traité est dép<strong>la</strong>cée vers <strong>la</strong><br />
droite et vers le bas par rapport à <strong>la</strong> courbe du sol naturel. Ce dép<strong>la</strong>cement est<br />
d'autant plus marqué que le sol réagit bien avec <strong>la</strong> chaux.<br />
Figure 3.2 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux sur les caractéristiques <strong>de</strong> compactage. [14].<br />
b. Action à long terme<br />
C'est une action pouzzo<strong>la</strong>nique qui se produit. Elle est due à <strong>la</strong> mise en solution<br />
en milieu <strong>de</strong> pH élevé (supérieur à 12) <strong>de</strong> <strong>la</strong> silice, <strong>de</strong> l'alumine et <strong>de</strong>s oxy<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fer<br />
présents dans les minéraux argileux sous <strong>de</strong>s formes cristallisées plus ou moins<br />
altérées. Ces éléments en solution réagissent ensuite avec <strong>la</strong> aux pour former <strong>de</strong>s<br />
ferro-silico-aluminates <strong>de</strong> calcium insolubles qui précipitent et cristallisent en<br />
présence d'eau, créant ainsi <strong>de</strong>s liaisons <strong>de</strong> même nature que celles produites avec<br />
les liants hydrauliques.<br />
Ces phénomènes se développent en général très lentement (plusieurs mois, voire<br />
<strong>de</strong>s années) dans nos climats. Ils sont influencés par <strong>la</strong> température du milieu, <strong>la</strong><br />
quantité et <strong>la</strong> nature <strong>de</strong> <strong>la</strong> fraction argileuse du sol et <strong>la</strong> teneur en eau du sol. Cette<br />
action a lieu à partir <strong>de</strong> pourcentages <strong>de</strong> chaux ajoutés <strong>de</strong> 3 à 4 %, en fonction <strong>de</strong>s<br />
caractéristiques du sol.<br />
Si, à court terme, une certaine résistance est également souhaitée, un traitement<br />
complémentaire avec un liant hydraulique est nécessaire.<br />
La préparation d'un sol argileux à <strong>la</strong> chaux entraîne <strong>la</strong> formation <strong>de</strong> grumeaux qui<br />
rend ce sol bien apte à recevoir un traitement au ciment par exemple. La réaction <strong>de</strong><br />
ce ciment avec le sol traité à <strong>la</strong> chaux consiste surtout en une hydratation <strong>de</strong> silicates<br />
et aluminates <strong>de</strong> calcium (ajoutés sous forme anhydri<strong>de</strong>). Ils passent en phase<br />
liqui<strong>de</strong>, après quoi les produits hydratés durcissent («liaison hydraulique »). Par <strong>la</strong><br />
croissance, l'imbrication et <strong>la</strong> - ramification <strong>de</strong> plus en plus gran<strong>de</strong> <strong>de</strong>s microcristaux<br />
66
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
qui apparaissent, les grains <strong>de</strong> sols sont soudés et liés. De cette manière, ils forment<br />
<strong>de</strong>s liaisons <strong>de</strong> plus en plus nombreuses et dures. Le mé<strong>la</strong>nge durcit et atteint <strong>de</strong>s<br />
résistances mécaniques élevées, une gran<strong>de</strong> résistance au gel et une bonne<br />
imperméabilité.<br />
Gal<strong>la</strong>way et Buchanan (1951) ont montré que <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux avec l’argile<br />
est le résultat <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux processus :<br />
Une réaction d’échange ainsi qu’une adsorption d’ions calcium non échangé, le<br />
résultat est une diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> capacité d’échanger.<br />
Un agent cimentant se forme, il lie les particules entre elles, <strong>la</strong> chaux peut en effet<br />
stabiliser également les sols non gonf<strong>la</strong>nts.<br />
Des expériences faites par Golbet et Klein ont montré que <strong>de</strong> faibles pourcentages<br />
<strong>de</strong> chaux (2 à 6% ) entraînaient une réduction importante du gonflement. Des<br />
conclusions équivalentes furent données par Jones, Michell et Spangler .<br />
Abdljawad et al 1994; ont étudie l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> volume <strong>de</strong>s<br />
constituants sur les caractéristiques <strong>de</strong>s argiles gonf<strong>la</strong>ntes. L’étu<strong>de</strong> a été effectuée<br />
sur <strong>de</strong>s échantillons d’argiles anhydri<strong>de</strong>. Il a été trouver pour les <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong><br />
mé<strong>la</strong>nges à différentes le pourcent (0, 5, 10,20).<strong>de</strong>s ajouts <strong>de</strong> anhydri<strong>de</strong> ou <strong>de</strong><br />
gypse.<br />
Les résultats qui ont trouvé que <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement diminue lorsque le<br />
pourcent <strong>de</strong> Caso4 augmente, et beaucoup plus pour le mé<strong>la</strong>nge <strong>de</strong> l’argile<br />
anhydri<strong>de</strong> figure (3.3). Ainsi que l’augmentation le pourcent <strong>de</strong> Caso4 pour ces types<br />
du sol induit une diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite Atterbergs figure (3.4).<br />
Figure 3.3: La pression <strong>de</strong> gonflement<br />
en fonction % <strong>de</strong> sulfate <strong>de</strong> calcium.<br />
[38].<br />
Figure 3.4: limites consistance du pour<br />
<strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> du sol en en fonction % <strong>de</strong><br />
sulfate <strong>de</strong> calcium. [38].<br />
S. M. Rao et T. Thyagaraj, 2003. ; ont utilisé une nouvelle technique <strong>de</strong> pile <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong>it <strong>de</strong> chaux et <strong>de</strong> chaux vive sont <strong>de</strong>s choix viables pour <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> in-situ pour<br />
67
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
<strong>de</strong>s sols et ce par <strong>de</strong>s essais in situ comparés à <strong>de</strong>s résultats <strong>de</strong> <strong>la</strong>boratoire. Pour<br />
les essais in-situ, <strong>de</strong>ux rayons d’injection <strong>de</strong> <strong>la</strong>it <strong>de</strong> chaux (r1= 0,9d et r2= 1,5d,<br />
figures 3.5 et 3.6) ont été utilisé. Les résultats obtenus ont montré l’efficacité <strong>de</strong> ce<br />
genre <strong>de</strong> traitement.<br />
Figure 3.5: variation <strong>de</strong> % <strong>de</strong> gonflement<br />
en fonction du temps <strong>de</strong> sol non traité et du<br />
sol traité par <strong>la</strong> boue <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux à <strong>la</strong><br />
distance radiale <strong>de</strong> 1,5d. [34].<br />
Figure 3.6 : variation <strong>de</strong> % <strong>de</strong><br />
gonflement en fonction du temps <strong>de</strong> sol<br />
non traité et du sol traité par <strong>la</strong> boue <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> chaux à <strong>la</strong> distance radiale <strong>de</strong> 0,9d.<br />
[34].<br />
Yucel Guney, Dursun Sari, Murat Cetin, Mustafa Tuncan, 2005 ; ont étudié,<br />
l'impact du cyclique <strong>de</strong> mouil<strong>la</strong>ge et du séchage sur le comportement du sols argileux<br />
gonflements et en présence <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux. Ils ont effectué <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement<br />
sur <strong>de</strong>s mé<strong>la</strong>nges <strong>de</strong> sol avec <strong>de</strong> diverses quantités d'argiles (kaolinite-bentonite),<br />
selon différentes p<strong>la</strong>sticités. Pour ce<strong>la</strong> ils ont utilisé trois types <strong>de</strong>s sols argileux :<br />
□ Les argiles <strong>de</strong> Na-bentonite et <strong>de</strong> kaolinite sont préparé à partir d’un<br />
mé<strong>la</strong>nge <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux proportions différentes et ce afin d’obtenir <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong><br />
mé<strong>la</strong>nges <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité élevée. Le premier mé<strong>la</strong>nge, appelé Sol A, est<br />
composé <strong>de</strong> 70% <strong>de</strong> bentonite et <strong>de</strong> 30% <strong>de</strong> kaolinite,<br />
□ Le <strong>de</strong>uxième mé<strong>la</strong>nge, sol B, est constitué <strong>de</strong> 30% <strong>de</strong> bentonite et <strong>de</strong> 70%<br />
<strong>de</strong> kaolinite,<br />
□ Le troisième est un sol argileux <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité moyennement élevée. Il s’agit<br />
<strong>de</strong> l'argile <strong>de</strong> Turkmen, appelée Sol C.<br />
Dans chaque essai, <strong>de</strong>ux proportions différentes <strong>de</strong> chaux variant <strong>de</strong> 3% et <strong>de</strong> 6%<br />
en poids et ce pour chaque type du sol. Les essais <strong>de</strong> gonflement ont été effectués<br />
selon ASTM D4546.<br />
Les résultats ont montré que l'effet initial du sol, bénéficiaire <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> à <strong>la</strong><br />
chaux a été perdu après le premier cycle et le potentiel <strong>de</strong> gonflement a augmenté<br />
aux cycles suivants. D'autre part, le potentiel <strong>de</strong> gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
68
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
gonflement du sol non traité ont commencé à diminuer après le premier cycle.<br />
L’équilibre a été atteint après le quatrième cycle.<br />
Figure 3.7: La variation <strong>de</strong> potentiel du<br />
gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour<br />
Sol A non traité et traité. [47].<br />
Figure 3.9: La variation <strong>de</strong> potentiel du<br />
gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour<br />
Sol B non traité et traité. [47].<br />
Figure 3.11: La variation <strong>de</strong> potentiel du<br />
gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles pour<br />
Sol C non traité et traité. [47].<br />
Figure 3.8 : La variation <strong>de</strong> pression<br />
gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles<br />
pour Sol A non traité et traité. [47].<br />
Figure 3.10: La variation <strong>de</strong> pression<br />
gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles<br />
pour Sol B non traité et traité. [47].<br />
Figure 3.12 : La variation <strong>de</strong> pression<br />
gonflement avec le nombre <strong>de</strong>s cycles<br />
pour Sol C non traité et traité. [47].<br />
Ils ont conclu, que pour <strong>de</strong>s applications <strong>de</strong> cycles mouil<strong>la</strong>ge séchage sur les sols<br />
non stabilisés, le potentiel <strong>de</strong> gonflement est réduits. Tandis que le potentiel gonf<strong>la</strong>nt<br />
69
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
maximum observé, subit une réduction après le premier cycle du gonflement puis le<br />
potentiel <strong>de</strong> gonflement et diminue graduellement aux cycles suivants. L’équilibre est<br />
atteint à l'équilibre après 4 à 6 cycles.<br />
La <strong>stabilisation</strong> par <strong>la</strong> chaux <strong>de</strong>s est affectée par les cycles mouil<strong>la</strong>ge -séchage.<br />
En d'autres termes, l'effet principal <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux sur le potentiel <strong>de</strong> gonflement est<br />
partiellement perdus, si le sol est soumis à cycles <strong>de</strong> mouil<strong>la</strong>ge - séchage. Ces<br />
résultats amènent à déconseiller ce genre <strong>de</strong> traitement dans régions à saisons<br />
variables (humidification /séchage).<br />
2. 2 STABILISATION PAR AJOUT DU CIMENT<br />
L’action, <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> par les ciments, est complexe et dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature du<br />
sol, <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en ciment, <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau et <strong>de</strong>s conditions <strong>de</strong> température<br />
(Johson ; 1960). De plus, <strong>la</strong> présence <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux dans les ciments provoque <strong>de</strong>s<br />
réactions d’échange. Les pourcentages utilisés varient, comme pour <strong>la</strong> chaux, <strong>de</strong> 2 à<br />
6%. Le ciment est parmi les liants les plus fréquemment utilisés dans traitement <strong>de</strong><br />
sols <strong>de</strong> surface. [44].<br />
Les quatre mécanismes contribuant à <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> au ciment <strong>de</strong>s matériaux <strong>de</strong><br />
sol argileux sont résumés dans le tableau 5.1.<br />
Tableau 3.1 : Mécanismes <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> par ciment <strong>de</strong>s sols argileux.<br />
2. 3 STABILISATION PAR AJOUT DES CENDRES VOLANTES<br />
Les cendres vo<strong>la</strong>ntes, produites dans <strong>la</strong> combustion <strong>de</strong>s charbons subbituminous,<br />
présentent <strong>de</strong>s caractéristiques <strong>de</strong> cimentage et peuvent être utilisées dans une<br />
70
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
<strong>la</strong>rge gamme <strong>de</strong>s applications <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong>. Le traitement <strong>de</strong> cendres vo<strong>la</strong>ntes<br />
peut efficacement réduire le potentiel <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s argiles fortement p<strong>la</strong>stique<br />
et empêcher le gonflement sous les pressions plus petites <strong>de</strong> base.<br />
Zalihe Nalbantoglu ,(2004); a étudie <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s argiles gonf<strong>la</strong>ntes par les<br />
cendres vo<strong>la</strong>ntes. Les résultats d'essai en <strong>la</strong>boratoire sur ces sols indiquent que ces<br />
cendres vo<strong>la</strong>ntes sont efficaces à l’amélioration <strong>de</strong> <strong>la</strong> texture et <strong>la</strong> p<strong>la</strong>sticité <strong>de</strong>s sols<br />
traités. Elles permettent <strong>de</strong> réduire l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité et le potentiel <strong>de</strong> gonflement.<br />
[29].et [30].<br />
La réduction en valeurs <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux sols indique que le<br />
gonflement <strong>de</strong>s sols est empêché pour <strong>de</strong> petites valeurs <strong>de</strong> pression. [29] et [30].<br />
Figure 3.14. La variation du potentiel du<br />
gonflement en fonction <strong>de</strong>s pourcentages <strong>de</strong>s<br />
cendres volcanique et du temps, pour <strong>de</strong>s<br />
sols <strong>de</strong> Degirmenlik et <strong>de</strong> Tuz<strong>la</strong>. [29].<br />
Figure 3.15 : Effet <strong>de</strong>s cendres<br />
vo<strong>la</strong>ntes et du temps traitant sur les<br />
valeurs <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s<br />
sols <strong>de</strong> Degirmenlik et <strong>de</strong> Tuz<strong>la</strong>. [29].<br />
Dans <strong>la</strong> même étu<strong>de</strong>, <strong>de</strong>s valeurs <strong>de</strong> CEC <strong>de</strong> capacité (d’échange) cationique ont<br />
été mesurées pour indiquer les changements <strong>de</strong> <strong>la</strong> minéralogie <strong>de</strong>s cendres vo<strong>la</strong>ntes<br />
<strong>de</strong>s sols traités et ce pour expliquer <strong>la</strong> réduction du potentiel <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité et<br />
d'absorption <strong>de</strong> l'eau. Figure (3.16).<br />
Les faibles valeurs <strong>de</strong> CEC indiquent que le traitement par les cendres vo<strong>la</strong>ntes<br />
changent <strong>la</strong> minéralogie du sol traité et produit <strong>de</strong> nouveaux minéraux secondaires.<br />
L’utilisation <strong>de</strong>s cendres vo<strong>la</strong>ntes comme matériaux <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> pour le sol<br />
semble être une solution intéressante. Cette utilisation aurait <strong>de</strong>s avantages, en plus<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong>, environnementaux.<br />
71
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Figure 3.16. Capacité d'échange cationique, valeurs <strong>de</strong> CEC <strong>de</strong>s cendres vo<strong>la</strong>ntes<br />
traitées Sols <strong>de</strong> Degirmenlik et <strong>de</strong> Tuz<strong>la</strong>. [29].<br />
4 STABILISATION PAR AJOUT DES MELANGES:(CIMENT+CENDRES<br />
VOLANTES OU CHAUX +CENDRES VOLANTES OU CIMENT+ CHAUX)<br />
Dernièrement, un certain nombre d’auteurs ont étudié l’influence <strong>de</strong> mé<strong>la</strong>nges <strong>de</strong><br />
(chaux-cendre volcanique), mé<strong>la</strong>nges (ciment-cendre volcanique) ou <strong>de</strong>s ajouts ces<br />
trois constituants, sur les sols gonf<strong>la</strong>nts [44]. Les résultats obtenus étaient<br />
encourageants.<br />
2. 5 STABILISATION PAR AJOUT DE SABLE72<br />
Plusieurs auteurs ont étudié l’influence <strong>de</strong> l’ajout <strong>de</strong> sable sur le gonflement. Nous<br />
citerons certaines d’entre elles :<br />
Satyanarayana (1969), cité par [8]. a étudie le comportement <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> B<strong>la</strong>ck<br />
Cotton au sud <strong>de</strong> l’In<strong>de</strong> sous forme <strong>de</strong> mé<strong>la</strong>nge avec le sable, et sous forme <strong>de</strong><br />
couches. Il a constaté que <strong>la</strong> pression du gonflement est réduite par le simple ajout<br />
<strong>de</strong> faibles pourcentages <strong>de</strong> sable. Plus le pourcentage <strong>de</strong> sable augmente, plus <strong>la</strong><br />
réduction <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression diminue (différence marquée à partir 50% <strong>de</strong> sable).<br />
L’insertion <strong>de</strong> couches <strong>de</strong> sables (différentes positions avec l’argile), réduit <strong>la</strong><br />
pression du gonflement en proportion appréciable due principalement à <strong>la</strong> capacité<br />
du sable à absorber le gonflement <strong>de</strong> l’argile. Cette capacité du sable dépend <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
facilité <strong>de</strong> <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> sable avec <strong>la</strong>quelle elle se déforme par compression ou, par<br />
mouvement <strong>la</strong>téral.<br />
Komornik et livneh (1969), cité par [8]. ont étudié l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> granu<strong>la</strong>rité <strong>de</strong>s<br />
constituants sur les caractéristiques <strong>de</strong>s argiles gonf<strong>la</strong>ntes. Pour ce<strong>la</strong>, ils ont utilisé<br />
<strong>de</strong>s mé<strong>la</strong>nges argile - sable et argile- marbre à différents pourcentages. Il a été<br />
constaté que <strong>la</strong> diminution du taux du gonflement <strong>de</strong>s différents mé<strong>la</strong>nges est du à <strong>la</strong><br />
faible <strong>de</strong>nsité sèche <strong>de</strong> l’argile et à l’augmentation du matériau inerte dans les<br />
72
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
mé<strong>la</strong>nges. Ainsi, ils ont constaté qu’il y a une influence du taux <strong>de</strong> l’humidité <strong>de</strong><br />
l’argile sur <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression du gonflement.<br />
Mouraux (19969), cité par [8] a montré dans sa thèse que, si <strong>la</strong> couche gonf<strong>la</strong>nte<br />
est d’une gran<strong>de</strong> épaisseur, <strong>de</strong> manière à ne pas pouvoir l’excaver complètement<br />
alors, il faut excaver jusqu’à une certaine profon<strong>de</strong>ur puis, remb<strong>la</strong>yer pour rétablir les<br />
conditions <strong>de</strong> pression initiale. Pour ce<strong>la</strong>, souvent c’est le sable qui est utilisé. le bas<br />
du remb<strong>la</strong>i est faiblement compacté et ce pour <strong>de</strong>ux raisons :<br />
□ Le haut du sol gonf<strong>la</strong>nt serait très compact, et par conséquent son<br />
potentiel <strong>de</strong> gonflement est élévé.<br />
□ Le bas du remb<strong>la</strong>i peut alors « encaisser » un gonflement éventuel.<br />
Seed, Woodword et Lugren (1969) cité par [8] ont retenu trois paramètres<br />
significatifs <strong>de</strong> l’aptitu<strong>de</strong> au gonflement d’un sol : Le pourcentage d’éléments argileux<br />
inférieur à 2µ et leur nature minéralogique, l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité et l’indice <strong>de</strong> retrait.<br />
Les auteurs ont mesuré le potentiel <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> sols artificiels préparés en<br />
mé<strong>la</strong>ngeant <strong>de</strong>s minéraux argileux avec diverses quantités <strong>de</strong> sables. Ce mé<strong>la</strong>nge<br />
permet <strong>de</strong> diminuer le pourcentage. L’influence sur <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement et, sa<br />
re<strong>la</strong>tion avec le pourcentage <strong>de</strong>s éléments inférieurs à 2µ dans l’échelle bi<br />
logarithmique est linéaire.<br />
Myondo (1979), cité par [8] a étudié l’effet du compactage et <strong>la</strong> résistance au<br />
cisaillement <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux argiles <strong>de</strong> composition minéralogique différente mé<strong>la</strong>ngées<br />
avec le sable grossier à différents pourcentages. Il a obtenu les résultats suivants :<br />
□ La granu<strong>la</strong>rité et <strong>la</strong> minéralogie influent sur <strong>la</strong> compactibilité <strong>de</strong>s sols.<br />
□ Mise en évi<strong>de</strong>nce d’une limite granulométrique à 30% d’argile (70% <strong>de</strong><br />
sable) correspondant à <strong>la</strong> meilleure compacité obtenue sous l’effet <strong>de</strong><br />
l’énergie <strong>de</strong> compactage Proctor modifié.<br />
Les résultats <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> cisaillement sont :<br />
□ La cohésion augmente avec le pourcentage d’argile.<br />
□ Le coefficient <strong>de</strong> frottement (tg) diminue avec l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> quantité<br />
<strong>de</strong>s fines dans les mé<strong>la</strong>nges argile-sable et <strong>la</strong> variation est presque<br />
linéaire.<br />
Une partie <strong>de</strong> l’étu<strong>de</strong> d’El Sayed et d’EL Sohby (1981), cité par [8] a porté sur le<br />
traitement d’un sol argileux gonf<strong>la</strong>nt par ajout <strong>de</strong> sable et <strong>de</strong> limon à différentes<br />
concentrations. Ils ont constaté que <strong>la</strong> grosseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> fraction non argileuse a une<br />
influence sur le gonflement. C'est-à-dire, que les particules fines provoquent un<br />
gonflement important. En plus, <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement pour les mé<strong>la</strong>nges argile-<br />
limon était plus importante que celle <strong>de</strong>s mé<strong>la</strong>nges argile-sable.<br />
Mehmit et Ishibashi (1982) cité par [8] ont mené une investigation expérimentale<br />
sur 8 mé<strong>la</strong>nges argile-sable. Ils ont étudié <strong>la</strong> variation du gonflement en fonction <strong>de</strong><br />
73
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
<strong>la</strong> température (à 24°C, 38°C et à 66°C). Ils ont co nstaté que plus le pourcentage du<br />
sable augmente, plus le gonflement diminue. Ils ont remarqué aussi, une réduction<br />
<strong>de</strong> 17% à 28% du gonflement quand <strong>la</strong> température diminue (voir figure 1.18).<br />
Suratman (1985), cité par [8] a étudie <strong>la</strong> variation du gonflement d’un mé<strong>la</strong>nge <strong>de</strong><br />
montmorillonite et <strong>de</strong> sable à différents pourcentage (10 à 50%) ; le sable étant <strong>de</strong><br />
granulométrie moyenne (0.1 mm
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
d’éléments inférieurs à 2µ et <strong>de</strong> l’indice <strong>de</strong> retrait <strong>de</strong> <strong>la</strong> montmorillonite pour divers<br />
flui<strong>de</strong>s hydratants.<br />
Waller et Lawler (1976) cité par [8], ont étudie l’influence <strong>de</strong>s sels sur un<br />
échantillon d’argile reconstituée à partir <strong>de</strong> déb<strong>la</strong>i <strong>de</strong> forage. Les meilleurs résultats<br />
sont obtenus à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong>s solutions qui associent le Kcl avec un polymère.<br />
Iltis(1979) cité par [8], a étudié plusieurs ses types <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong><br />
plusieurs types <strong>de</strong> sels. Cette étu<strong>de</strong> a mis en évi<strong>de</strong>nce <strong>de</strong>ux agents stabilisants, le<br />
chlorure <strong>de</strong> potassium et le chlorhydrate <strong>de</strong> guanidine.<br />
Azzouz (1983) cité par [8], a effectué ses travaux sur <strong>la</strong> stabilité <strong>de</strong>s argiles<br />
feuilletées. Il a montré que les meilleurs résultats peuvent été obtenus par<br />
l’association d’un sel <strong>de</strong> potassium et d’une polymère.<br />
Komine et Ogata, 1992, cité par [18], ont étudie L'efficacité d'un sel à partir du<br />
concept <strong>de</strong> l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse. Même si certaines recherches<br />
plus récentes Qi et al., 1996 cité par [18] ont montré qu'il ne s'agissait que d'un<br />
aspect très partiel du phénomène. Mitchell, 1976, cité par [8], a indiqué dans le<br />
tableau VII les épaisseurs <strong>de</strong> doubles couches calculées <strong>de</strong> façon c<strong>la</strong>ssique<br />
Jennings et knight(1957); cité par [37] ont effectué <strong>de</strong>s essais sur <strong>de</strong>s argiles<br />
silicate sec riche en sodium à l’état saturé et à état non saturé. Ils ont déduit que le<br />
potentiel <strong>de</strong> gonflement est très élevé à l’état saturé par rapport l’état non saturé (voir<br />
figure 1). Le <strong>de</strong>gré <strong>de</strong> saturation étant fixé et <strong>la</strong> composition <strong>chimique</strong> du sol argilesilice<br />
sec ont été analysés par l’ajout d’un taux <strong>de</strong> sodium dans un échantillon et un<br />
taux du calcium dans un autre. Cette expérience a montré que le potentiel <strong>de</strong><br />
gonflement est plus important dans <strong>de</strong>s échantillons riches en sodium par rapport<br />
aux échantillons riches en calcium ; c.a.d. le sodium est un facteur <strong>chimique</strong><br />
favorable pour le gonflement du sol.<br />
75
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Figure 3.17: essai à l’oedomètre à double<br />
p<strong>la</strong>teau pour tester <strong>de</strong>ux échantillons riche<br />
en sodium sec [37].<br />
Figure 3.19 : influence <strong>de</strong>s solutions <strong>de</strong><br />
cation <strong>de</strong> mouil<strong>la</strong>ge sur potentiel gonflement<br />
cité par [37].<br />
Figure 3.21 : Influence <strong>de</strong>s cations<br />
adsorbés sur <strong>la</strong> compressibilité <strong>de</strong>s<br />
échantillons saturés. [37].<br />
Figure 3.18 : Influence <strong>de</strong>s cations<br />
adsorbés sur potentiel gonflement /<br />
d'effondrement [37].<br />
Figure 3.20 : influence <strong>de</strong>s solutions<br />
<strong>de</strong> cation <strong>de</strong> mouil<strong>la</strong>ge sur potentiel<br />
gonflement t d'effondrement <strong>de</strong>s<br />
échantillons secs <strong>de</strong> riches <strong>de</strong> calcium.<br />
[37].<br />
Figure 3.22 : Influence <strong>de</strong>s cations<br />
adsorbés sur <strong>la</strong> compressibilité <strong>de</strong>s<br />
échantillons saturés. [37].<br />
Les même auteurs ont étudie l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> composition <strong>chimique</strong> <strong>de</strong> flui<strong>de</strong><br />
imbibé dans le sol argile-silice sec et riche en sodium sur le potentiel <strong>de</strong> gonflement<br />
figure 3.17. Le un potentiel <strong>de</strong> gonflement est plus important qu’aux <strong>de</strong>ux autres<br />
échantillons imbibés par le flui<strong>de</strong> 0.4 N Nacl et 0.4N Cacl2 (voir figure 3.19).<br />
76
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
La même expérience a été effectuée sur un sol argile-silice sec et riche en<br />
calcium. Le résultat montre que l’échantillon imbibé par <strong>la</strong> solution <strong>de</strong> 0.4 N Nacl<br />
présente un potentiel <strong>de</strong> gonflement plus important qu’aux <strong>de</strong>ux autres échantillons<br />
imbibés par l’eau <strong>de</strong> robinet et 0.4N Cacl2 (voir figure 3.20).<br />
Olson et Mesri1970 ; cité par [37] ont réalisé <strong>de</strong>s travaux dans le but d’étudier<br />
l’influence <strong>de</strong>s cation <strong>de</strong> Na + et Ca 2+ sur <strong>la</strong> compressibilité du sol argile-silice sec et<br />
saturé. Les résultats indiquent que l’indice <strong>de</strong> vi<strong>de</strong> est plus important dans<br />
l’échantillon riche en le sodium qu’à celui riche en calcium.<br />
Ces mêmes auteurs ont <strong>la</strong>ncé d’autres essais, sur un autre l’échantillon <strong>de</strong> sol<br />
argile-silice saturé en calcium et imbibé par <strong>de</strong> l’eau <strong>de</strong> robinet et 0.4N Cacl2 (voir<br />
figure 3.20). Ils ont conclu que l’indice <strong>de</strong> vi<strong>de</strong> est important dans l’échantillon imbibé<br />
à l’eau <strong>de</strong> robinet. Ce résultat monte que les cations <strong>de</strong> calcium joue un rôle<br />
négligeable par rapport aux cations <strong>de</strong> sodium. Ainsi, <strong>la</strong> compressibilité est plus<br />
influencée par les cations <strong>de</strong> sodium<br />
Hachichi et Fleurreau (1999) ont étudié <strong>la</strong> réduction du gonflement <strong>de</strong> plusieurs<br />
échantillons intacts d’Algérie par <strong>de</strong>s sels. Dans cette étu<strong>de</strong>, <strong>de</strong>s réductions<br />
substantielles ont été obtenues avec <strong>de</strong> fortes concentrations <strong>de</strong> sels.<br />
Hachichi et al (2000), Bouroukba.S (2001), ont étudié <strong>la</strong> réduction du gonflement<br />
<strong>de</strong>s argiles <strong>de</strong> <strong>la</strong> région d’Oran par <strong>de</strong>s sels <strong>de</strong>s polymères. Des réductions<br />
importantes ont été obverses par l’association d’un sel <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> d’aluminium et<br />
<strong>de</strong>s polymères.<br />
Aboubekr.N et Aissa mamoune.S.M, (2003), ont étudié l’influence <strong>de</strong>s sels sur le<br />
gonflement libre <strong>de</strong>s argiles. Afin <strong>de</strong> mettre en évi<strong>de</strong>nce l’influence <strong>de</strong> ces sels sur<br />
l’amplitu<strong>de</strong>, l’étu<strong>de</strong> a été effectuée sur <strong>de</strong>s échantillons d’argiles naturelles et<br />
artificielles en utilisant quatre sels différent (chlorure <strong>de</strong> potassium, Chlorure <strong>de</strong><br />
Sodium, Chlorure <strong>de</strong> Calcium, Sulfate d’Ammonium. Des réductions importantes ont<br />
été observées par l’association d’un sel <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> potassium mais pour chlorure<br />
<strong>de</strong> calcium est moyen a faible.<br />
Markus Tuller, Dani Or,(2003); ont observé à l’ai<strong>de</strong> d’un microscope électronique<br />
(SEM) (figure. 2) que les distances moyennes entre les couches sont beaucoup plus<br />
petites dans Ca 2+ qu'en Na + montmorillonite. En raison <strong>de</strong> <strong>la</strong> position face à face<br />
col<strong>la</strong>nte le nombre <strong>de</strong> feuillet par trajectoire est plus grand en montmorillonite Ca 2+<br />
(55 à 0.032 barre ; 225 à <strong>la</strong> barre 10 ; et 400 à <strong>la</strong> barre 1000). En outre, tactoids<br />
formant le micropore les murs sont plus longs dans Ca 2+ que dans <strong>la</strong> Montmorillonite<br />
Na+ en raison <strong>de</strong> disposition préférée à former les liens face à face. [28].<br />
77
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Figure 3.23 : Microstructure <strong>de</strong> texture d'argile comme affectée par <strong>la</strong> composition en<br />
solution (électrolyte) (Tessier, 1990). [28].<br />
Schmitz R. M., van Paassen L. A., 2003 ; ont étudié l’effet <strong>de</strong>s différents types sels<br />
sur <strong>la</strong> minéralogie <strong>de</strong>s argiles. Ils ont proposé une formu<strong>la</strong>tion empirique décrivant <strong>la</strong><br />
reduction <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité par les solution salines avec l'augmentation <strong>de</strong> sel<br />
figure (3.24).<br />
Figure 3.24: Diminution <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité <strong>de</strong> <strong>la</strong> bentonite en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration <strong>de</strong>s cations monovalents. [42].<br />
Jad warkim, 2005 ; a été effectué <strong>de</strong>s essais, sur l’argilite <strong>de</strong> Tournemire, ont<br />
montré que les déformations dues au gonflement et au retrait sont influencées par <strong>la</strong><br />
nature et <strong>la</strong> concentration en sel dissout dans l’eau déminéralisée. Il a été observé<br />
que le gonflement libre est plus élevé pour une solution <strong>de</strong> NaCl, plus faible pour une<br />
solution <strong>de</strong> KCl et intermédiaire pour une solution <strong>de</strong> CaCl2. Il a été constaté que ces<br />
déformations sont significatives et ne dépen<strong>de</strong>nt pas du chemin <strong>chimique</strong> suivi par<br />
l’échantillon pour <strong>de</strong>s essais effectués sous faibles contraintes.<br />
78
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Figure 3.25 : Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence <strong>de</strong>s cations sur le gonflement [46].<br />
Aussi, il a été remarqué que l’activité <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution n’a pas d’influence directe sur<br />
le gonflement (tableau). , il a été effectué <strong>de</strong>s essais avec <strong>de</strong>s solutions <strong>de</strong> NaCl ont<br />
également montré que le coefficient qui exprime le rapport entre <strong>la</strong> déformation<br />
axiale sous contrainte et <strong>la</strong> déformation libre, permet <strong>de</strong> réduire le nombre d’essais,<br />
étant donnée qu’il dépend uniquement <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte appliquée et non <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration en sel.<br />
Tableau 3.2 : Activité et gonflement pour <strong>de</strong>s solutions salines <strong>de</strong> normalité 1 selon [46].<br />
En outre, il a été observé que le gonflement normalisé ne dépend pas <strong>de</strong><br />
l’orientation <strong>de</strong> l’échantillon, ce qui signifie que l’anisotropie du gonflement est<br />
indépendante <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature et <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration en sel et est égale à 4. Il a été<br />
d’affirmer ce constat par <strong>de</strong>s essais complémentaires réalises au moyen <strong>de</strong><br />
l’enceinte hygrométrique. Ainsi il a été réalisé <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> mesure <strong>de</strong> l’évolution du<br />
pH ont prouvé que le gonflement se stabilise avant <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> du pH <strong>la</strong> figures<br />
suivantes.<br />
79
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
Figure 3.26 : Gonflement et pH pour<br />
l’eau du robinet.<br />
5.3 AUTRES TECHNIQUES DE STABILISATION<br />
5.3 1 DRAINAGE<br />
Figure 3.27: Gonflement et pH pour une<br />
solution <strong>de</strong> 1 M NaCl.<br />
C’est <strong>la</strong> technique <strong>la</strong> plus c<strong>la</strong>ssique qui est mise en œuvre. Plusieurs procédés<br />
sont utilisés ; comme les tranchées drainant, drains <strong>de</strong> carton, drains <strong>de</strong> sables<br />
verticaux, tapis <strong>de</strong> <strong>la</strong> cote <strong>de</strong> <strong>la</strong> nappe (Livet). Cité par [8]<br />
5.3 2 SUBSTITUTION<br />
C’est <strong>la</strong> suppression <strong>de</strong> <strong>la</strong> couche du sol gonf<strong>la</strong>nt. C’est <strong>la</strong> solution <strong>la</strong> plus<br />
évi<strong>de</strong>nte. Si <strong>la</strong> couche a une gran<strong>de</strong> épaisseur, <strong>la</strong> suppression totale ne peut être<br />
envisagée. Elle consiste à excaver jusqu’à une certaine profon<strong>de</strong>ur puis remb<strong>la</strong>yer<br />
avec du sable ou autres matériaux graveleux. [8]. C’est une solution très coûteuse.<br />
5.3 3 APPLICATION DE FORTES PRESSIONS<br />
Le gonflement peut être évité en appliquant au sol <strong>de</strong>s pressions supérieures à <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement. IL s’agit <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement réelle, c’est-à-dire<br />
correspondant à <strong>la</strong> pression limite minimum nécessaire pour empêcher le sol <strong>de</strong><br />
gonfler par <strong>de</strong>s chemins <strong>de</strong> contraintes réelles, in situ, cette pression peut être<br />
appliquée soit par l’édifice lui même, soit par <strong>de</strong>s surcharges qui sont généralement<br />
<strong>de</strong>s remb<strong>la</strong>is <strong>de</strong> sols non gonf<strong>la</strong>nts (Mouroux.1969), cité par [8]. C’est une solution à<br />
déconseiller.<br />
5.3 4 COMPACTAGE<br />
Dawson recomman<strong>de</strong> <strong>de</strong> compacter les argiles à <strong>de</strong>s <strong>de</strong>nsités minimales et Seed<br />
(1961) note que les argiles compactées du côte sec <strong>de</strong> l’optimum ont plus tendance<br />
à gonfler que si elles sont compactées du côte humi<strong>de</strong>. Malheureusement, du côte<br />
80
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
humi<strong>de</strong>, Les argiles sont moins résistantes. Il faudrait donc retrouver un compromis.<br />
[8]<br />
5.3 5 PREHUMIDICATION<br />
On crée ainsi un gonflement avant construction et si une forte teneur en eau est<br />
maintenue. Le volume restera sensiblement constant par <strong>la</strong> suite. Deux techniques<br />
sont utilisées. [8] :<br />
• Simple arrosage par jet.<br />
• Création <strong>de</strong> bassins au-<strong>de</strong>ssus du sol gonf<strong>la</strong>nt, et c’est beaucoup plus utilisé.<br />
5.3 6 TRAITEMENT THERMIQUE<br />
Une augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> température peut améliorer <strong>la</strong> résistance d’une argile. En<br />
réduisant <strong>la</strong> répulsion électrique entre les particules sous l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaleur on<br />
provoque un écoulement <strong>de</strong> l’eau interstitielle due au gradient thermique appliqué. .<br />
[8]<br />
5.3 7 UTILISATION DE FONDATIONS ET D’EDIFICES SPECIAUX<br />
Elles sont utilisées, soit pour réduire le gonflement, soit pour dissiper les pressions<br />
du gonflement. L’étu<strong>de</strong> <strong>la</strong> plus intéressante était faite par Jenning et Evans (cité par<br />
Mouroux ; 1969). Elle donne, en effet, plusieurs types <strong>de</strong> construction suivant le<br />
soulèvement estimé. Elle comprend [8]:<br />
• Des renforcements en acier <strong>de</strong>s murs pour assurer une plus gran<strong>de</strong> rigidité.<br />
• Des « construction Split », c’est-à-dire, conçues pour assurer le dép<strong>la</strong>cement<br />
éventuel sans dommage d’une partie <strong>de</strong> l’édifice.<br />
• Des reports <strong>de</strong> charges sur <strong>de</strong>s semelles isolées.<br />
• Des pieux fondés sur une couche peu gonf<strong>la</strong>nte.<br />
Par ailleurs, on peut p<strong>la</strong>cer un tapis graveleux entre l’argile et <strong>la</strong> construction pour<br />
amortir l’effet du gonflement.<br />
6 CONCLUSION<br />
D’après les conséquences <strong>de</strong>s sols expansifs sur les ouvrages géotechnique en<br />
surface et souterrain, plusieurs chercheurs ont étudié <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols<br />
expansifs. Ces différentes recherches s’orientent sur les ajouts qui minimisent le plus<br />
le potentiel <strong>de</strong> gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.<br />
La <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux a été étudiée par un grand nombre <strong>de</strong><br />
chercheurs. Beaucoup <strong>de</strong> métho<strong>de</strong>s et d'appareil<strong>la</strong>ges ont été mis au point, pour<br />
connaître l'influence <strong>de</strong> l'efficacité d'une solution ou d'un produit sur <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong><br />
81
Chapitre 05 Stabilisation <strong>de</strong>s sols argileux<br />
d'un sol argileux. Quelques exemples sont cités concernant l'utilisation <strong>de</strong> produits<br />
<strong>chimique</strong>s servant à <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux.<br />
Autour <strong>de</strong> cette idée que s’articule ce chapitre, a été consacré à l’étu<strong>de</strong><br />
bibliographique présentant l’état d’avancement <strong>de</strong> <strong>la</strong> recherche dans le domaine <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux.<br />
Le choix <strong>de</strong>s techniques <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> les plus utilisées dépend <strong>de</strong> plusieurs<br />
paramètres tels que ; les considérations économiques, <strong>la</strong> nature du sol à traiter, <strong>la</strong><br />
durée <strong>de</strong> l’opération, <strong>la</strong> disponibilité <strong>de</strong>s matériaux à utiliser ainsi que les conditions<br />
d’environnement.<br />
82
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Chapitre 04<br />
1. INTRODUCTION<br />
IDENTIFICATION PHYSICO- CHIMIQUE ET ESSAIS<br />
MECANIQUES POUR LES ARGILES ETUDIES<br />
La quantification du phénomène <strong>de</strong> gonflement par <strong>de</strong>s paramètres<br />
macroscopiques est essentielle du point <strong>de</strong> vue du dimensionnement <strong>de</strong>s ouvrages<br />
<strong>de</strong> génie civil. Dans <strong>la</strong> suite, on récapitulera l’ensemble <strong>de</strong>s informations obtenues<br />
dans <strong>la</strong> littérature sur <strong>la</strong> caractérisation du phénomène <strong>de</strong> gonflement.<br />
Les métho<strong>de</strong>s indirectes reliant le gonflement aux paramètres géotechniques<br />
permettent d’i<strong>de</strong>ntifier les terrains gonf<strong>la</strong>nts alors que les essais <strong>de</strong> gonflement<br />
caractérisent plus précisément le comportement gonf<strong>la</strong>nt d’un échantillon.<br />
Accompagnées <strong>de</strong> précautions expérimentales, les différentes procédures d’essais<br />
en <strong>la</strong>boratoire permettent <strong>de</strong> déterminer <strong>de</strong>s paramètres du gonflement à appliquer<br />
dans le dimensionnement d’ouvrage et d’analyser certains aspects du gonflement<br />
comme l’anisotropie.<br />
Notre étu<strong>de</strong> a été effectuée sur trois argiles. La première est une argile naturelle<br />
provenant du gisement <strong>de</strong> Rousse Maghnia <strong>la</strong> <strong>de</strong>uxième est une naturelle extraite<br />
du site <strong>de</strong> Mansourah, et <strong>la</strong> troisième est celle du site <strong>de</strong> Imama ces trois argiles ont<br />
fait l'objet <strong>de</strong> recherches antérieures au <strong>la</strong>boratoire <strong>de</strong> mécanique <strong>de</strong>s sols. Ces<br />
argiles ont subit une série d’essais d’i<strong>de</strong>ntification physico <strong>chimique</strong>s et les essais<br />
mécaniques.<br />
2. SITUATION GEOLOGIQUE<br />
Nous allons abor<strong>de</strong>r par <strong>la</strong> suite commençant d’abord par décrire les sites d’où les<br />
échantillons ont été prélevés.<br />
2.1 ARGILE DE MANSOURAH<br />
Le site du projet Mansourah se situe en bordure <strong>de</strong> <strong>la</strong> roca<strong>de</strong> Ouest, menant vers<br />
Bouhanek, occupant une partie <strong>de</strong>s terres agricoles, exploitées par <strong>de</strong>s particuliers et<br />
<strong>de</strong>s EAC. Occupant le versant Ouest <strong>de</strong> <strong>la</strong> terre vallonnée, limitée, <strong>de</strong>s côtés Nord et<br />
84
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Sud par <strong>de</strong>s lignes d’oliviers et présentant une déclivité douce d’est-ouest. Une<br />
conduite <strong>de</strong> gaz naturel passe au loin du coté sud.<br />
Une seule formation géologique compose les sols en p<strong>la</strong>ce à savoir <strong>de</strong>s marnes<br />
jaunâtres à verdâtres, pâteuses à moyennement rai<strong>de</strong>s (en profon<strong>de</strong>ur),<br />
concrétionna ires, présentant <strong>de</strong>s niveaux sableux et conglomératiques.<br />
selon <strong>la</strong> carte géologique <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen, à l’échelle 1/50.000 e , le site où<br />
sera imp<strong>la</strong>nté le projet Mansourah appartient à <strong>la</strong> pério<strong>de</strong> géologique du Miocène,<br />
caractérisé par les marnes et argiles ; ce qui confirme les configurations géologiques<br />
<strong>de</strong>s sols rencontrés.<br />
Figure.4.1 : La carte géologique du groupement Tlemcen,Mansorah et chetouane d’après<br />
Bekkouche et al.<br />
2.2 ARGILE DE HAMMAM BOUGHRARA<br />
Maghnia est située à l’extrême Nord- ouest <strong>de</strong> l’Algérie, l’accessibilité <strong>de</strong> cette<br />
p<strong>la</strong>ine à permis <strong>de</strong> relier <strong>la</strong> ville <strong>de</strong> Maghnia au Nord à Ghazaouet et Nedroma par <strong>la</strong><br />
RN 46, à l’Est à Tlemcen par <strong>la</strong> RN 07 sur une distance <strong>de</strong> 75 Km et à Oran par <strong>la</strong><br />
RN 35, à l’Ouest et sur une distance <strong>de</strong> 27 Km. Elle se relie à Oujda par <strong>la</strong> RN 07(<br />
annexe 01).<br />
2.3 ARGILE DE IMAMA<br />
Le terrain est situé à Imama Ouest (Tlemcen), se trouve une limite géologique à<br />
savoir le Miocène et le Jurassique, constitué dans sa partie Sud-Est par <strong>de</strong>s marnes<br />
Tricolores caractérisées par un indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité, et <strong>de</strong> gonflement élevé, une<br />
consistance très variable, tandis que dans sa partie Nord-Ouest par <strong>de</strong>s calcaires<br />
85
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
b<strong>la</strong>nchâtre à grisâtre, compact à aspect conglomératique, surmonté par un marno-<br />
calcaire et une marne en surface.<br />
3. ESSAIS D’IDENTIFICATIONS<br />
3 1 ANALYSE GRANULOMETRIQUE<br />
L'analyse granulométrique permet <strong>de</strong> déterminer <strong>la</strong> distribution dimensionnelle en<br />
poids <strong>de</strong>s éléments d'un matériau, et comprend :<br />
Un tamisage sous l’eau pour <strong>la</strong> distribution dimensionnelle en poids <strong>de</strong>s particules<br />
<strong>de</strong> dimensions supérieures ou égales à 80 microns.<br />
La sédimentométrie pour <strong>la</strong> distribution dimensionnelle en poids <strong>de</strong>s particules <strong>de</strong><br />
dimensions inférieures à 80 microns.<br />
Les résultats seront présentés par <strong>de</strong>s courbes appelées courbes<br />
granulométriques, figure (4.2) pour l'i<strong>de</strong>ntification exacte du matériau, et pour<br />
permettre d'en prévoir certaines propriétés.<br />
La texture est celle d’un sol argilo limoneux, légèrement à partiellement sableux,<br />
et faiblement à nullement graveleux pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia et l’argile Mansourah.<br />
Selon <strong>la</strong> c<strong>la</strong>ssification USCS nous avons c<strong>la</strong>ssé nos sols comme <strong>de</strong>s argiles<br />
inorganiques à p<strong>la</strong>sticité très élevée pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia; inorganiques à<br />
p<strong>la</strong>sticité moyenne pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah et <strong>de</strong> Imama.<br />
86
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Figure.4.2 : La courbe analyse granulométrique <strong>de</strong> notre sol.<br />
3.2. LIMITES D'ATTERBERG<br />
Quand toute <strong>la</strong> capacité d'adsorption du sol sera saturée, alors l'eau en excès<br />
restera à l'état libre c'est-à-dire liqui<strong>de</strong>. À l'état “liqui<strong>de</strong>” ( W )<br />
W > . Plus le sol possè<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> minéraux actifs dans leur interaction avec l'eau, plus il sera nécessaire d'ajouter<br />
<strong>de</strong> l'eau au sol pour qu'il <strong>de</strong>vienne liqui<strong>de</strong> ; sachant qu'une gran<strong>de</strong> partie <strong>de</strong> cette eau<br />
sera adsorbée par les particules, il ne restera donc pas à l'état liqui<strong>de</strong> et ne conférera<br />
pas au matériau un état liqui<strong>de</strong> mais pâteux, correspondant à <strong>la</strong> phase p<strong>la</strong>stique.<br />
L’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité s’écrit comme suit [13]:<br />
I = W −W<br />
(4.1)<br />
P<br />
L<br />
P<br />
Peut s'interpréter comme <strong>la</strong> quantité d'eau nécessaire pour faire passer un sol <strong>de</strong><br />
l'état “soli<strong>de</strong>” ( W )<br />
2<br />
W < Ceci rejoint <strong>la</strong> définition <strong>de</strong> l'activité <strong>de</strong> Skempton :<br />
P<br />
I P<br />
Ac<br />
= (4.2)<br />
C<br />
Cette <strong>de</strong>rnière rapporte l'indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité du matériau à sa teneur en particules<br />
argileuses (notée ici C2, teneur en particules <strong>de</strong> dimensions inférieures à 2 μm), <strong>la</strong><br />
seule interagissant avec l'eau. Cette définition <strong>de</strong> l'indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité montre<br />
également que IP est un paramètre important dans les propriétés <strong>de</strong> rétention d'eau<br />
du terrain et donc <strong>de</strong> gonflement. C'est <strong>la</strong> raison pour <strong>la</strong>quelle un certain nombre <strong>de</strong><br />
corré<strong>la</strong>tions ont rapi<strong>de</strong>ment été recherchées entre les limites d'Atterberg et les<br />
propriétés <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s sols.<br />
Seed et al. (1962), [13] ont proposé une métho<strong>de</strong> d’estimation du taux <strong>de</strong><br />
gonflement sur <strong>de</strong>s sols compactés en se référant à <strong>la</strong> teneur en argile du sol et à<br />
l’activité du matériau Ac (figure 4.3).<br />
L<br />
87
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Figure 4.3 : Diagramme <strong>de</strong> c<strong>la</strong>ssification du potentiel <strong>de</strong> gonflement (Seed et al., 1962)<br />
cité par [13].<br />
Le gonflement libre ε g d’un échantillon confiné <strong>la</strong>téralement en présence d’eau<br />
sous une surcharge <strong>de</strong> 7 kPa, et préa<strong>la</strong>blement compacté à <strong>la</strong> teneur en eau<br />
optimale et à <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche maximale <strong>de</strong> l’essai <strong>de</strong> compactage AASHO (norme<br />
américaine), peut être relié à l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité I P du sol par l’expression suivante :<br />
g<br />
5 −<br />
21, 6.<br />
10 P<br />
( ) 44 , 2<br />
I<br />
ε =<br />
(4.3)<br />
Cette re<strong>la</strong>tion, obtenue par une étu<strong>de</strong> statistique <strong>de</strong>s résultats expérimentaux,<br />
s’applique matériaux contenant entre 8% et 65% d’argile. La comparaison <strong>de</strong> cette<br />
formule avec les résultats expérimentaux a abouti à une fourchette d’erreur d’environ<br />
33% sur le gonflement libre. Le tableau 4.1 donne <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion entre le taux <strong>de</strong><br />
gonflement et l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité. [13].<br />
Tableau 4.1 : Re<strong>la</strong>tion entre le gonflement libre et l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité (Seed et al.,<br />
1962) [13].<br />
Komornik et David (1969), [13] ont travaillé plus particulièrement sur <strong>de</strong>s sols non<br />
remaniés provenant d’Israël, <strong>la</strong> technique <strong>de</strong> compactage étant un facteur très<br />
influent sur les paramètres <strong>de</strong> gonflement. Les nombreux essais ont montré qu’une<br />
simple corré<strong>la</strong>tion linéaire était possible entre le gonflement libre et l’indice <strong>de</strong><br />
p<strong>la</strong>sticité, [13]: :<br />
La fourchette d’erreur obtenue était d’environ 25 %.<br />
(4.4)<br />
Vijayvergiya et Ghazzaly (1973),[13] tout comme Komornik et David (1969), ont<br />
constaté que, <strong>la</strong> ligne “A”, définie par Casagran<strong>de</strong> (1948) dans le diagramme <strong>de</strong><br />
p<strong>la</strong>sticité et d’équation suivante :<br />
I<br />
P<br />
( W 20)<br />
0, 73 −<br />
= L<br />
(4.5)<br />
L’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité sépare les sols gonf<strong>la</strong>nts (au-<strong>de</strong>ssus) <strong>de</strong>s sols non gonf<strong>la</strong>nts<br />
(en <strong>de</strong>ssous <strong>de</strong> <strong>la</strong> ligne A) comme indiqué sur <strong>la</strong> figure 4.4. Cependant une argile se<br />
88
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
situant au <strong>de</strong>ssus <strong>de</strong> <strong>la</strong> ligne A” n’est pas nécessairement gonf<strong>la</strong>nte, puisque <strong>de</strong>s<br />
sols mous peuvent parfois y être c<strong>la</strong>ssés.<br />
Figure 4.4 : Caractérisation <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts [13].<br />
Dakshanamurthy et Raman (1973) se sont aussi inspirés du diagramme <strong>de</strong><br />
p<strong>la</strong>sticité proposé par Casagran<strong>de</strong> (1948) pour fournir une c<strong>la</strong>ssification du niveau <strong>de</strong><br />
gonflement. Le diagramme, qui comprend <strong>la</strong> ligne A <strong>de</strong> séparation <strong>de</strong>s sols<br />
gonf<strong>la</strong>nts, est divisé en 6 zones le long <strong>de</strong> l’axe <strong>de</strong>s abscisses comme suit :<br />
Tableau 4.2 : C<strong>la</strong>ssification proposée par Dakshanamurthy et Raman (1973) cité par<br />
[13].<br />
2.3. Retrait linéaire<br />
Les sols argileux présentent un retrait volumique lors <strong>de</strong> l’évaporation <strong>de</strong> l’eau<br />
interstitielle. Le retrait volumique évolue <strong>de</strong> manière linéaire en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur<br />
en eau w jusqu’à une teneur en eau ws définie comme <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> retrait. A partir <strong>de</strong><br />
cette limite ws, le sol perd <strong>de</strong> l’eau sans gran<strong>de</strong> variation <strong>de</strong> volume, il se dénature.<br />
La limite <strong>de</strong> retrait et l’indice <strong>de</strong> retrait, apparaissent aussi comme <strong>de</strong>s éléments<br />
fondamentaux pour l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s variations <strong>de</strong> volume <strong>de</strong>s sols. Ce <strong>de</strong>rnier s’écrit par<br />
l’équation suivante [13]:<br />
I = W −W<br />
(4.6)<br />
S<br />
L<br />
s<br />
Altemeyer (1955), cité par [13], a proposé une c<strong>la</strong>ssification <strong>de</strong>s sols en fonction<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> retrait (tableau 4.3).<br />
89
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Tableau 4.3 : Re<strong>la</strong>tion entre potentiel <strong>de</strong> gonflement et limite <strong>de</strong> retrait (Altemeyer, 1955)<br />
cité par [13].<br />
Ranganatham et Satyanarayana (1965) ont déterminé une re<strong>la</strong>tion entre l’indice<br />
<strong>de</strong> retrait S I et le gonflement libre ε g pour <strong>de</strong>s sols naturels compactés à l’optimum<br />
Proctor et sous une surcharge <strong>de</strong> 7 kPa en s’inspirant <strong>de</strong>s travaux réalisés par Seed<br />
et al. (1962):<br />
(4.7)<br />
Cette re<strong>la</strong>tion leur a permis <strong>de</strong> c<strong>la</strong>sser le potentiel <strong>de</strong> gonflement d’un sol en<br />
fonction <strong>de</strong> son indice <strong>de</strong> retrait (tableau 4.4).<br />
Tableau 4.4 : Re<strong>la</strong>tion entre potentiel <strong>de</strong> gonflement et indice <strong>de</strong> retrait (Ranganatham et<br />
Satyanarayana, 1965) cité par [13]. 90<br />
La consistance d'un sol fin varie suivant sa teneur en eau. Plus précisément, en<br />
opérant à une teneur en eau décroissante, on rencontre les quatre états suivants :<br />
Figure.4.5 : La consistance d'un sol.90<br />
WL : limite <strong>de</strong> liquidité, teneur en eau qui sépare l'état liqui<strong>de</strong> <strong>de</strong> l'état p<strong>la</strong>stique<br />
WP : limite <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité, teneur en eau qui sépare l'état p<strong>la</strong>stique <strong>de</strong> l'état soli<strong>de</strong><br />
WR : limite <strong>de</strong> retrait, teneur en eau qui sépare l'état soli<strong>de</strong> avec retrait à l'état<br />
soli<strong>de</strong> sans retrait.<br />
IP : indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité IP = WL – WP<br />
IR : indice <strong>de</strong> retrait IR = WL – WR<br />
90
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Les valeurs <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité <strong>de</strong> nos argiles est élevée <strong>de</strong> 127,5% avec un<br />
indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité IP élevé 76% pour l’argile <strong>de</strong> Bentonite <strong>de</strong> Maghnia , et assez<br />
élevé 65 avec un indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité peu élevé 33% pour l’argile Mansourah.<br />
Pour l’argile Imama d’après l’abaque <strong>de</strong> Casagran<strong>de</strong>, il s’agit d’une argile minérale<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité WL varie entre 59 ≤ W ≤ 77% <strong>de</strong> forte p<strong>la</strong>sticité.<br />
Les limites <strong>de</strong> retrait <strong>de</strong> nos argiles sont comprises dans cet intervalle (9-10%)<br />
pour bentonite <strong>de</strong> Maghnia et (11-15) % pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah et Imama.<br />
En utilisant l’abaque <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité <strong>de</strong> CASAGRANDE nous avons remarqué que<br />
l’argile <strong>de</strong> bentonite <strong>de</strong> Maghnia se c<strong>la</strong>sse parmi les argiles fortement p<strong>la</strong>stique [CH<br />
= argile inorganique à haute compressibilité à argile grasse], tandis que l’argile <strong>de</strong><br />
Mansourah et Imama se c<strong>la</strong>sse parmi les argiles peu p<strong>la</strong>stique [CL= argile<br />
inorganique à p<strong>la</strong>sticité faible à moyenne] (tableau 4.5)<br />
3.2.1. Action <strong>de</strong> différents types <strong>de</strong>s sels sur <strong>la</strong> limite d’Atterberg<br />
L'analyse microscopique a illustré un premier mécanisme physico-<strong>chimique</strong><br />
d'interaction eau-minéral argileux, qui est celui <strong>de</strong>s molécules d'hydratation <strong>de</strong>s<br />
cations échangeables, attirés électriquement par le déficit <strong>de</strong> charge <strong>de</strong>s feuillets<br />
argileux (lui-même dû, entre autres, à certaines substitutions isomorphes). Ce<br />
mécanisme met en évi<strong>de</strong>nce l'importance <strong>de</strong>s sels dissous dans l'eau interstitielle.<br />
Géoma C, et Geo<strong>de</strong>lft, Stieltjesweg (2003) ; Ont proposé une formu<strong>la</strong>tion<br />
empirique décrivant l’effet <strong>de</strong> sel sur <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité. Ils ont conclu, que <strong>la</strong> limite<br />
<strong>de</strong> liquidité est dénuée qu’à partir <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> C=0,1M du sel.<br />
L’augmentation <strong>de</strong>s concentrations <strong>de</strong>s sels movalent, induit une diminution<br />
importante <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidités (Kcl, Nacl). Les figures (4.6 et 4.7).<br />
Figure.4.6 : l’effet <strong>de</strong> sel sur <strong>la</strong> limite<br />
<strong>de</strong> liquidité d’après [42].<br />
Figure.4.7 : correction <strong>de</strong> l’effet du sel<br />
sur <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité d’après [42].<br />
En plus Ils ont remarqué que les argiles pures plus sensibles par l’augmentation<br />
<strong>de</strong>s concentrations salines par exemple pour une concentration <strong>de</strong> C=0,1 M , donne<br />
une diminution <strong>de</strong> 50% <strong>de</strong> LL.<br />
91
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
A partie <strong>de</strong> ces résultats précé<strong>de</strong>ntes, ils ont donné <strong>de</strong>s modèles semi empérique<br />
qui facilite le calcule <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité l équation<br />
Où<br />
LL = liquid limit (%),C = concentration monovalent cations (M),R^2 = 0.937.<br />
(4.8)<br />
Et <strong>la</strong> corré<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité avec concentration saline qui<br />
comportement <strong>de</strong> <strong>la</strong> consolidation utilisant <strong>la</strong> formule <strong>de</strong> Terzaghi et Peck 1967 :<br />
4.2.2. Résultat <strong>de</strong> l’effet <strong>de</strong>s sels sur les limites d’Atterberg.<br />
(4.9)<br />
Nous avons effectué une étu<strong>de</strong> sur l’effet <strong>de</strong>s sels sur les limites d’Atterberg, cette<br />
étu<strong>de</strong> est <strong>de</strong>stinée seulement à l’argile <strong>de</strong> Maghnia et <strong>de</strong> Mansourah.<br />
Les figures 4.8, 4.9, 4.10 et 4.11 représentent <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité et<br />
indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité en fonction <strong>de</strong>s concentrations salines pour l’argile reconstituée<br />
<strong>de</strong> Maghnia et l’argile <strong>de</strong> Mansourah à <strong>de</strong>ux concentrations <strong>de</strong> (0,5 et 2 mole/l) pour<br />
différents types <strong>de</strong> sels.<br />
Figure 4. 8 : Limite <strong>de</strong> liquidité par<br />
différentes concentrations salines pour<br />
<strong>la</strong> argile <strong>de</strong> Mansourah<br />
Figure 4.9 : indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité par<br />
différentes concentrations salines pour <strong>la</strong><br />
argile <strong>de</strong> Mansourah.<br />
92
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Figure 4.10 : Limite <strong>de</strong> liquidité par<br />
différentes concentrations salines pour<br />
l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Figure 4.11 : Indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité par<br />
différentes concentrations salines pour<br />
l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Il a été réalisé 48 essais afin <strong>de</strong> suivre <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité et <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
limite <strong>de</strong> retrait sur les <strong>de</strong>ux sols <strong>de</strong> Maghnia et <strong>de</strong> Mansourah, avec les six sels.<br />
Pour chaque sel, <strong>de</strong>ux concentrations <strong>de</strong> 0.5 et 2 mole/l ont été choisies (tableaux<br />
(4.6), (4.7) et (4.8)).<br />
Les résultats, donnés dans les tableaux précé<strong>de</strong>nts et les figures (4.8, 4.9, 4.10,<br />
4.11), ont montrés :<br />
• Les courbes <strong>de</strong> limite <strong>de</strong> liquidité et indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration sont linéaires. C'est-à-dire, qu’une forte concentration <strong>de</strong>s<br />
solutions salines a pour effet <strong>de</strong> diminuer <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité et indice <strong>de</strong><br />
p<strong>la</strong>sticité.<br />
• Comparée aux autres sels, une forte concentration <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong><br />
magnésium a pour effet <strong>de</strong> diminuer plus <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité et indice <strong>de</strong><br />
p<strong>la</strong>sticité.<br />
• Une faible concentration <strong>de</strong> chlorure d’aluminium a pour effet <strong>de</strong> diminuer<br />
d’une manière appréciable <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité et indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité.<br />
• Néanmoins pour les fortes concentrations, Il est très difficile <strong>de</strong> réaliser<br />
l’essai <strong>de</strong> limite <strong>de</strong> liquidité avec le sel <strong>de</strong> chlorure d’aluminium (Alcl3) et ce<br />
parce que le sel déstabilise <strong>la</strong> structure d’argile dès le premier contact. Il a<br />
été remarqué, que le contact argile- sel donne une effervescence et l’argile<br />
<strong>de</strong>vient plus liqui<strong>de</strong>.<br />
• Les sels peuvent augmenter les limites <strong>de</strong> retrait et ceci, bien entendu<br />
réduit le taux <strong>de</strong> gonflement.<br />
93
Tableau 4.5: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong> l’eau<br />
Tableau 4.6: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong>s solutions saline pour l argile <strong>de</strong> Maghnia.
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques pour les argiles étudiées<br />
Tableau 4.7: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong>s solutions saline pour l argile <strong>de</strong> Mansourah.<br />
Tableau 4.8: Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en présence <strong>de</strong> solutions salines pour l argile <strong>de</strong> Mansourah.<br />
95
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
3.3. ESSAI AU BLEU DE METHYLENE<br />
Le principe <strong>de</strong> l'essai consiste à maintenir en permanence sous agitation un<br />
mé<strong>la</strong>nge [échantillon (O/d) + eau] puis à introduire <strong>de</strong>s quantités croissantes <strong>de</strong> bleu<br />
<strong>de</strong> méthylène par doses successives, jusqu'à ce que les particules argileuses en<br />
soient saturées, il apparaît alors un excès qui marque <strong>la</strong> fin <strong>de</strong> l'essai et qui est<br />
détecté par le test <strong>de</strong> <strong>la</strong> tâche. Ce <strong>de</strong>rnier consiste à former avec une goutte <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
suspension sur du papier filtre normalisé, une tache qui est un dépôt <strong>de</strong> sol coloré en<br />
bleu, entouré d'une zone humi<strong>de</strong> incolore. L'excès <strong>de</strong> bleu se traduit par l'apparition<br />
dans cette zone d'une auréole d'un bleu c<strong>la</strong>ir. Le test est alors positif. [4].<br />
L'essai au bleu permet une évaluation globale <strong>de</strong> <strong>la</strong> quantité et <strong>de</strong> l'activité <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
fraction argileuse :<br />
nombre <strong>de</strong> cm3<br />
<strong>de</strong> solution<br />
VB= (4.9)<br />
Poids sec <strong>de</strong> <strong>la</strong> prise<br />
VB: Valeur du bleu<br />
Connaissant <strong>la</strong> valeur du bleu déterminée sur l'une <strong>de</strong>s fractions les plus fines<br />
O/d, on peut calculer celle <strong>de</strong> <strong>la</strong> fraction globale O/d à partir <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe<br />
granulométrique du sol.<br />
VB = (O/d) = VB (O/d) x P/100<br />
P : proportion <strong>de</strong> <strong>la</strong> c<strong>la</strong>sse granu<strong>la</strong>ire O/d dans le sol O/d.<br />
Ensuite, on peut calculer <strong>la</strong> valeur du bleu pour les (< 2µ) :<br />
VB (< 2µ) =<br />
VB(<br />
O/<br />
d)<br />
( < 2µ<br />
)<br />
Figure 4.12. Dosage <strong>de</strong> l'essai <strong>de</strong> bleu selon (NFP 94- 068).<br />
(4.10)<br />
96
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
A titre d'i<strong>de</strong>ntification le tableau 4.1 représente les valeurs <strong>de</strong> bleu <strong>de</strong> quelques<br />
sols.<br />
Tableau 4.9 : valeur <strong>de</strong> bleu <strong>de</strong> quelques sols.<br />
Les valeurs <strong>de</strong> bleu mesuré dans nos essais sont :<br />
• l’argile Mansourah VB (1,5 - 4 cm 3 ) ⇒ argile sablo <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité moyenne.<br />
• l’argile Imama VB varie entre (4,56 – 6.8 cm 3 ) ⇒ d’argile limoneux.<br />
• l’argile <strong>de</strong> Maghnia VB 13,40 cm 3 ⇒ argile<br />
3.3.1 SURFACE SPECIFIQUE TOTALE S.S.T<br />
La surface spécifique totale est <strong>la</strong> surface <strong>de</strong>s grains soli<strong>de</strong>s sur <strong>la</strong>quelle le bleu<br />
<strong>de</strong> méthylène se fixe est donnée par :<br />
S.S.T. = (VB / 100) x (N / 373) x 130 10 -20 ⇒ S.S.T. = 21 VB (m 2 /g) (4.11)<br />
• VB / 100 : fraction en % du bleu (
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
% CaCO3 =<br />
Ainsi:<br />
Volume du CO dégagé par 1g<br />
. d'<br />
échantillon<br />
Volume du CO dégagé par 1g.<br />
<strong>de</strong> C CO pur<br />
2<br />
2 (4.12)<br />
Tableau 4.10 : Teneur en CaCO3 <strong>de</strong> quelques sols.<br />
• l’argile Mansourah % C2CO3 (20,87%- 28.61%) ⇒ d’argile calcaire.<br />
a<br />
3<br />
(4.13)<br />
• l’argile Imama % C2CO3 varie entre (16,87%- 19.49%) ⇒ d’argile calcaire.<br />
• l’argile <strong>de</strong> Maghnia % C2CO3 1,05 % ⇒ d’argile.<br />
4. MESURE INDIRECTE DE POTENTIEL DE GONFLEMENT<br />
Les métho<strong>de</strong>s indirectes consistent à déterminer une corré<strong>la</strong>tion entre le<br />
gonflement libre ou <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement et quelques paramètres<br />
géotechniques comme les limites d’Atterberg, <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> retrait, <strong>la</strong> teneur en eau, <strong>la</strong><br />
<strong>de</strong>nsité sèche qui semble être les facteurs influant sur le gonflement <strong>de</strong>s argiles.<br />
Ainsi, après avoir déterminé les paramètres géotechniques d’un matériau, l’emploi <strong>de</strong><br />
formules empiriques permet <strong>de</strong> connaître rapi<strong>de</strong>ment le potentiel <strong>de</strong> gonflement du<br />
terrain, c’est-à-dire estimer si ce potentiel est faible, moyen ou élevé et donc si le<br />
phénomène est à prendre en compte ou non. Compte tenu <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure<br />
minéralogique <strong>de</strong>s différents types d'argile, <strong>la</strong> caractérisation <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface spécifique<br />
d'argile représente aussi un élément essentiel pour i<strong>de</strong>ntifier le potentiel <strong>de</strong><br />
gonflement d'un matériau. [13.].<br />
Un nombre considérable d’approches empiriques introduites par diffèrent auteurs,<br />
basées sur <strong>de</strong>s caractéristiques <strong>de</strong>s sols sont très simples à déterminer au<br />
<strong>la</strong>boratoire, sont utilisé pour évaluer le potentiel <strong>de</strong> gonflement.<br />
Dans le tableau qui suit, nous avons présenté quelques c<strong>la</strong>ssifications établies par<br />
différents auteurs, pour évaluer le potentiel <strong>de</strong> gonflement et le potentiel <strong>de</strong> retrait <strong>de</strong><br />
nos sols.<br />
98
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Tableau 4.11: différentes c<strong>la</strong>ssification .du potentiel du gonflement et <strong>de</strong> retrait par les<br />
métho<strong>de</strong> indirecte.<br />
En se basant sur les paramètres géotechniques, une évaluation qualitative du<br />
potentiel <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s argiles <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia, Mansourah et Imama sont<br />
effectuées selon <strong>la</strong> c<strong>la</strong>ssification proposée dans <strong>la</strong> littérature. La comparaison <strong>de</strong>s<br />
prévisions <strong>de</strong> potentiels <strong>de</strong> gonflement en utilisant cette c<strong>la</strong>ssification est donnée par<br />
le tableau (4.11). D’après ce tableau nous avons constaté un bon accord général<br />
entre ces diverses c<strong>la</strong>ssifications.<br />
5. MODELS DE PREVISION DE GONFLEMENT<br />
Les modèles utilisés pour <strong>la</strong> prévision <strong>de</strong> l’amplitu<strong>de</strong> et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
ont été rapportés <strong>de</strong> <strong>la</strong> littérature et leurs expressions sont données dans le tableau<br />
1.3. Ces modèles sont utilisés pour prédire le taux et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s<br />
échantillons testés d’argile. Ces modèles empiriques mettent en re<strong>la</strong>tion les<br />
paramètres <strong>de</strong> gonflement avec les paramètres géotechniques déterminés à partir<br />
<strong>de</strong>s essais d’i<strong>de</strong>ntification.<br />
Les modèles <strong>de</strong> Seed et Col, ne tiennent pas compte <strong>la</strong> teneur en eau naturelle<br />
qui à notre avis reste un paramètre déterminant dans le processus <strong>de</strong> gonflement.<br />
Ces modèles n’utilisent que <strong>de</strong>s paramètres interdépendants (<strong>la</strong> teneur en argile,<br />
l’activité et l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité), d’après les résultats <strong>de</strong> [5]<br />
D’après les résultats <strong>de</strong> [5] modèle <strong>de</strong> Nayak et Christensen et le modèle <strong>de</strong><br />
Vijayvergiya et Ghazzaly ne peuvent être utilisés pour <strong>de</strong>s valeurs élevées <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
teneur en argile, <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau naturelle et <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité. Le premier<br />
modèle est basé sur <strong>de</strong>s paramètres interdépendants, quant au second, il ne tient<br />
pas compte <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau naturelle.<br />
99
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Le modèle <strong>de</strong> Johnson prédit globalement <strong>de</strong>s pourcentages <strong>de</strong> gonflement dans<br />
<strong>de</strong>s limites couramment observées en pratique. Ce <strong>de</strong>rnier modèle semble être<br />
applicables d’après les applications [5].<br />
Une étu<strong>de</strong> statistique a été effectuée sur les données disponibles <strong>de</strong>s argiles <strong>de</strong><br />
Tlemcen pour rechercher <strong>de</strong>s modèles propres à ces sols. Ils ont donné les modèles<br />
pour l’amplitu<strong>de</strong> du gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
Les résultats <strong>de</strong> l’application <strong>de</strong> ces modèles proposés semblent être<br />
représentatifs puisque les valeurs obtenues sont assez voisines <strong>de</strong> celles mesurées<br />
directement. Ils peuvent donc servir pour obtenir <strong>de</strong>s valeurs approchées <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> sites dont les propriétés physiques sont comparables.<br />
Pour l’amplitu<strong>de</strong> du gonflement, les résultats <strong>de</strong>s modèles restent discutables à<br />
cause <strong>de</strong>s écarts constatés entre les mesures directes et les calculs. Ces écarts<br />
peuvent avoir comme origine le type <strong>de</strong> chargement (soit le piston seul, soit le piston<br />
et le poids <strong>de</strong>s terres).<br />
Les mêmes modèles sont utilisés pour prédire le taux <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> douze<br />
échantillons intacts testés <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Ain Aménas [11], qui présentent <strong>de</strong>s<br />
caractéristiques physiques nettement différentes <strong>de</strong>s sols <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen.<br />
De plus ces modèles <strong>de</strong> Bekkouche et Col., 2001 ; ont é<strong>la</strong>boré pour prédire le<br />
taux <strong>de</strong> et <strong>la</strong> pression gonflement utilisant les résultats <strong>de</strong> tests effectués sur<br />
soixante six échantillons intacts d’argiles expansives <strong>de</strong>s régions d’Oran et <strong>de</strong><br />
Tlemcen.<br />
Tableau 4.12 : Expressions mathématiques <strong>de</strong>s modèles <strong>de</strong> prévision du<br />
gonflement.<br />
Modèles<br />
Seed et AL 1 [5]<br />
Seed et AL 1 [5]<br />
Ranganaathan et<br />
Satyanarayana[5]<br />
Expressions mathématiques<br />
ε gonf = 3,6.10 -5 . A 2,44 . C 3,44<br />
ε gonf = 2,16.10 -5 . Ip 2,44<br />
ε gonf =4.57.10 -5 2.<br />
67<br />
⎧ I ⎫ R<br />
3.<br />
44<br />
⎨ ⎬ C2<br />
C2<br />
− C'<br />
⎩<br />
C2 teneur en argile correspondant à<br />
un indice <strong>de</strong> retrait nul (abscisse à<br />
l’origine <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion IR= f{C2}<br />
⎭<br />
100
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Nayak et Christensen [5]<br />
Vijayvergiya et Ghazzaly 1 [5]<br />
Schnei<strong>de</strong>r et Poor [5]<br />
Johnson 1 [5]<br />
Johnson 2 [5]<br />
Bekkouche et Aissa mamoun 1 [5]<br />
Bekkouche et Aissa mamoun 2 [5]<br />
Bekkouche et Aissa mamoun 1 [5]<br />
ε gonf = 2,29.10 -2 .Ip1,45<br />
Log ε gonf =<br />
logε<br />
gof<br />
C<br />
+ 6,38<br />
W0<br />
0 . 4WL<br />
−WP + 5.<br />
5<br />
12<br />
0.<br />
9<br />
=<br />
W<br />
I P<br />
0<br />
Pour Ip< 40 :<br />
−1.<br />
19<br />
ε gonf = -9,18 + 1,5546.Ip + 0,0824.z +<br />
0,1. w0<br />
0,0432w0.Ip – 0,01215.z.Ip<br />
Pour Ip> 40 :<br />
ε gonf = 23,82 +0,7346.Ip – 0,1458.z –<br />
1,7 w0 + 0,0025 w0.Ip – 0,0084 z.Ip<br />
Log Sp = -0.008.Z+0.27.A – 0.02 Tca<br />
+ 0.016 Sr – 0.16<br />
Log Sp = - 0.1.Z+1.06.A – 0.22 γd –<br />
0.04.Wn+ 0.8<br />
Log Ps = 0.01Ip+1.26.γd – 0.008Wn<br />
– 0.1M – 2.179<br />
Bekkouche et Aissa mamoun 2 [5] Log Ps = - 0.001WnIp+0.024WL+0.1M<br />
Bekkouche et Aissa<br />
mamoun 3 [5]<br />
6. ESSAIS MECANIQUES<br />
6.1. ESSAI PROCTOR<br />
– 0.713<br />
Log Ps = 0.006 Ip+1.21 γd<br />
+0.013WR+0.11M -1.97<br />
L'essai "Proctor" mesure les variations <strong>de</strong> <strong>la</strong> compacité d'un sol, en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
teneur en eau à <strong>la</strong>quelle il est préparé et ce en fonction <strong>de</strong> l'énergie <strong>de</strong> compactage.<br />
L'essai est standardisé, ainsi, et en fonction <strong>de</strong> l'énergie <strong>de</strong> compactage, on<br />
différencie "Proctor normal" du "Proctor modifié" etc.<br />
101
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
En pratique, on prépare 5 échantillons <strong>de</strong> sol à <strong>de</strong>s teneurs en eau différentes et<br />
on les compacte par un certain nombre <strong>de</strong> coup <strong>de</strong> dame puis on mesure le poids<br />
volumique apparent et <strong>la</strong> teneur en eau <strong>de</strong>s éprouvettes.<br />
Les résultats <strong>de</strong>s essais sont portés sur un diagramme donnant le poids<br />
volumique sec (déduit <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux mesures faites) en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau. La<br />
courbe obtenue présente, en général un maximum correspondant à une certaine<br />
teneur en eau. Ces valeurs sont celles <strong>de</strong> l'"optimum Proctor". De part et d'autre <strong>de</strong><br />
l'optimum Proctor, les poids volumiques sont plus petits.[25].<br />
Figure.4.12 : Essai <strong>de</strong> proctor normale theorique.[25].<br />
Les valeurs <strong>de</strong> l’essai <strong>de</strong> Proctor normale mesurées seront présentées suivant<br />
<strong>de</strong>s courbes appelées courbes compactages, (figure 4.12)<br />
Figure.4.13 : Essai <strong>de</strong> proctor normale pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia et <strong>de</strong> Mansourah.<br />
Il est facilement remarqué que les <strong>de</strong>ux sols présente une forte sensibilité à l’eau<br />
autour <strong>de</strong> l’optimum Proctor. C’est une caractéristique <strong>de</strong>s sols argileux.<br />
102
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
6.2. ESSAI DE COMPRESSIBILITE A OEDOMETRIQUE.<br />
L’essai <strong>de</strong> compression à l’oedomètrique est un essai fondamental et est une<br />
application directe <strong>de</strong> <strong>la</strong> théorie <strong>de</strong> <strong>la</strong> consolidation. Il permet d’évaluer l’amplitu<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>s tassements <strong>de</strong>s ouvrages ainsi que leurs évolutions.<br />
Il s’agit <strong>de</strong> l’essai <strong>de</strong> compressibilité par paliers, cet essai permet d’établir, pour un<br />
échantillon donné, <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> courbes :<br />
La courbe <strong>de</strong> compressibilité qui indique le tassement <strong>de</strong> l’échantillon en fonction<br />
du logarithme <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte appliquée.<br />
La courbe <strong>de</strong> compressibilité, qui indique le tassement <strong>de</strong> l’échantillon en fonction<br />
du temps sous appliquée d’une contrainte constate.<br />
Dans ce qui suit, nous allons nous intéresser aux paramètres oedomètriques<br />
appropriées aux sols fins à caractère gonf<strong>la</strong>nt, et que sont :<br />
Le coefficient <strong>de</strong> gonf<strong>la</strong>nts Cg : qui est <strong>la</strong> pente <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong> déchargement.<br />
L’indice <strong>de</strong> compressibilité Cc : qui est <strong>la</strong> pente <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong> <strong>la</strong> tangente à <strong>la</strong><br />
courbe <strong>de</strong> chargement, ce coefficient permet <strong>de</strong> préciser <strong>la</strong> sensibilité du sol au<br />
tassement le long <strong>de</strong> cette courbe.<br />
Les sols gonf<strong>la</strong>nts et rétractables ont une courbe <strong>de</strong> déchargement <strong>de</strong> pente<br />
marquée sous faible contrainte. Selon leur histoire, <strong>de</strong>ux états différents peuvent être<br />
rencontrés (philipponnat et Hubert ; 1997) :<br />
S’il a été nécessaire d’empêcher le gonflement en début <strong>de</strong> chargement, il s’agit<br />
d’un sol surconsolidé, éventuellement non saturé, en état s’il est soumis, <strong>de</strong> succion<br />
élevée. Le sol, dans l’état ou il a été prélevé, est susceptible <strong>de</strong> gonfler sous faibles<br />
contraintes, au contact <strong>de</strong> l’eau libre (figure 4.14-a).<br />
Si le même sol a été soumis en présence d’eau libre et <strong>la</strong>issé gonfler avant<br />
prélèvement, son potentiel <strong>de</strong> gonflement a été déjà libéré et sa succion avoisine<br />
zéro. La courbe oedométrique aura alors l’allure <strong>de</strong> <strong>la</strong> figure (4.14-b) un tel sol est<br />
susceptible <strong>de</strong> faire un retrait important en cas <strong>de</strong> <strong>de</strong>ssiccation et <strong>de</strong> réapparition<br />
d’une succion significative.<br />
103
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Figure 4.14 : Courbe <strong>de</strong> compressibilité <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts et rétractables.<br />
Une c<strong>la</strong>ssification est disponible, et en fonction <strong>de</strong> l’indice <strong>de</strong> compressibilité et<br />
l’indice <strong>de</strong>s vi<strong>de</strong>s initial, cette c<strong>la</strong>ssification permet <strong>de</strong> connaître le comportement <strong>de</strong>s<br />
sols vis-à-vis <strong>de</strong> <strong>la</strong> compressibilité. Le tableau 6.6 présente les appréciations suivant<br />
(philipponnat et Hubert ; 1997 ) :<br />
Tableau 4.13 : Re<strong>la</strong>tion entre <strong>la</strong> nature du sol et le coefficient <strong>de</strong> compressibilité d’après<br />
philipponnat et Hubert ; 1997.<br />
Les valeurs du coefficient <strong>de</strong> compressibilité sont <strong>de</strong> 0,1 et 0,11 pour l’argile <strong>de</strong><br />
Mansourah et l’argile <strong>de</strong> Maghnia respectivement.<br />
104
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Figure 4.15 : courbe oedométrique <strong>de</strong> l’argile Mansourah.<br />
Figure 4.16 : courbe oedométrique l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
En comparant ces valeurs avec celles du (tableau 4.13) nous constatons que nos<br />
argiles appartiennent aux sols moyennement compressibles.<br />
105
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
7. DETERMINATION DE LA CAPACITE D’ECHANGE CATIONIQUE.<br />
Les argiles présentent comme <strong>de</strong> nombreuses autres substances <strong>de</strong>s propriétés<br />
d’échange. (Résines Gels colloïdaux…) . Les propriétés d'absorption sont<br />
directement liées à <strong>la</strong> structure <strong>de</strong>s composants, en particulier à l’existence <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong>cunes ou d’espace vi<strong>de</strong> conduisant à une surface spécifique élevée. Ainsi, les<br />
argiles peuvent fixer tous les cations cependant, il existe un certain ordre d’affinité<br />
liée à <strong>la</strong> fois à <strong>la</strong> taille et à <strong>la</strong> charge <strong>de</strong>s ions.<br />
Pour <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> capacité d’échange cationique, il existe plusieurs<br />
métho<strong>de</strong>s tel que <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> fixation <strong>de</strong> l’ammonium ou <strong>de</strong> calcium. Le calcium<br />
est un <strong>de</strong>s ions dominants dans les sols et dont <strong>la</strong> force <strong>de</strong> fixation est élevé. Les<br />
coefficients <strong>de</strong> corré<strong>la</strong>tion sont meilleurs dans le cas <strong>de</strong> <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> au calcium<br />
qu’avec <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> à l’ammonium. Pour nos argiles nous avons eu recours à <strong>la</strong><br />
<strong>de</strong>uxième métho<strong>de</strong>.<br />
7.1 PRINCIPE DE LA METHODE.<br />
Le principe consiste à saturer le sol par une solution <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> calcium<br />
normal, tamponnée à pH = 7, puis par une solution plus diluée N/l0. Le calcium fixé<br />
et l’excès <strong>de</strong> chlorure sont extraits par une solution <strong>de</strong> nitrate <strong>de</strong> potassium, sans<br />
<strong>la</strong>vage préa<strong>la</strong>ble. Il suffit dans cet extrait <strong>de</strong> doser le calcium total, puis calculer les<br />
différent dosages <strong>de</strong>s ions échangé par l’argile comme (K+,NA+,ca+,Mg+) pour<br />
obtenir CEC <strong>la</strong> capacité d’échange <strong>de</strong> base du sol (voir annexe).le tableau suivant<br />
résume les résultats <strong>de</strong> l’essai CEC pour nos sols.<br />
Tableau 4.14 : <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> CEC.<br />
La capacité d’échange <strong>de</strong> nos argiles est faible par rapport à ceux indiquées dans<br />
le tableau 1.2 (chapitre 1). Ceci peut être expliqué par <strong>la</strong> présence d’impuretés.<br />
Tableau 4.15 : <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité spécifique<br />
106
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
D’après les résultats <strong>de</strong> tableau (4.15), nous avons constaté que <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
<strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge spécifique <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Mahgnia est faible par rapport à <strong>la</strong> valeur<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité spécifique <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Mansourah. Cette augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité<br />
<strong>de</strong> charge spécifique <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Mansourah par apport à l’argile <strong>de</strong> Maghnia<br />
indique que l’argile <strong>de</strong> Mansourah est caractérisée par un gonflement ou <strong>la</strong> pression<br />
<strong>de</strong> gonflement est réduite en <strong>la</strong> comparant à celle <strong>de</strong> Maghnia (voir chapitre 08).<br />
CONCLUSION<br />
Plusieurs conclusions peuvent être tirés à partir <strong>de</strong>s résultats obtenus à travers<br />
les essais effectués dans ce chapitre.<br />
Les géotechniques peuvent être un indicateur pour évaluer le potentiel <strong>de</strong><br />
gonflement <strong>de</strong>s sols.<br />
Paramètres l’argile <strong>de</strong> Maghnia a un potentiel <strong>de</strong> gonflement supérieurs par<br />
rapport à l’argile <strong>de</strong> Mansourah et <strong>de</strong> Imama.<br />
D’après les résultas d’essais <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> liquidité par ajout <strong>de</strong>s solutions<br />
salines, une nette diminution avec l’augmentation du pourcentage du sel, et les<br />
sels agissent <strong>de</strong> <strong>la</strong> même manière sur les <strong>de</strong>ux argiles sauf le chlorure <strong>de</strong><br />
aluminium crié un problème <strong>de</strong> effervescence au niveau <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux<br />
argiles.<br />
Comme conclusion sur l’influence du sel sur l’état <strong>de</strong> consistance, nous<br />
pouvons dire que :<br />
Quoique soit sa nature, le sel est bon rédacteur <strong>de</strong> tous les paramètres <strong>de</strong><br />
constance.<br />
Les paramètres déterminés par les essais d’i<strong>de</strong>ntification et qui apparaissent<br />
comme étant les plus déterminants dans le comportement gonf<strong>la</strong>nt <strong>de</strong>s argiles sont<br />
l’indice <strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité, le pourcentage <strong>de</strong>s particules argileuses, <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> l’essai au<br />
bleu <strong>de</strong> méthylène et <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> retrait qui ont montré le caractère gonf<strong>la</strong>nt <strong>de</strong>s sols<br />
étudies.<br />
107
Chapitre 04 Essais d’i<strong>de</strong>ntification physico- <strong>chimique</strong> et s essais mécaniques<br />
pour les argiles étudiées<br />
Nous avons remarquons un bon accord général entre les différente c<strong>la</strong>ssifications,<br />
qui considèrent que le potentiel <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia est plus élevé<br />
que celui <strong>de</strong> Mansourah et Imama. Néanmoins, ce c<strong>la</strong>ssement reste à confirmer par<br />
les mesures directes <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression et du potentiel <strong>de</strong> gonflement.<br />
La majorité <strong>de</strong>s re<strong>la</strong>tions d’estimation <strong>de</strong>s paramètres <strong>de</strong> gonflement, sont basé<br />
sur <strong>de</strong>s essais simple bien déterminés .L’emploi <strong>de</strong> ces re<strong>la</strong>tions doit être justifié.<br />
Ces modèles d’estimation du potentiel et <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement ne sont pas<br />
générales, et ne s’appliquent qu ‘a titre indicatif. Néanmoins, les essais <strong>de</strong><br />
gonflement direct restent indispensables pour <strong>de</strong>s projets importants.<br />
108
Chapitre 05<br />
1 INTRODUCTION<br />
CINETIQUE DU GONFLEMENT<br />
Le gonflement <strong>de</strong>s sols argileux est un phénomène très lent, en raison <strong>de</strong> <strong>la</strong> faible<br />
perméabilité <strong>de</strong>s argiles. Il est donc fondamental d'essayer <strong>de</strong> comprendre <strong>la</strong><br />
cinétique du gonflement, c’est-à-dire <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion existant entre <strong>la</strong> déformation <strong>de</strong><br />
gonflement et le temps. Cette re<strong>la</strong>tion est représentée usuellement sous <strong>la</strong> forme<br />
graphique du gonflement unidimensionnel en fonction du logarithme du temps (voir<br />
figure 5.1).<br />
Figure 5.1 : Courbe <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps [13]<br />
Nombreux travaux expérimentaux font apparaître ce type <strong>de</strong> cinétique (Seed et al.<br />
1962 ; Parcher et Liu, 1965 ; Komornik et Zeitlen, 1970 ; etc.) cité par [13]. Ils ont été<br />
observé <strong>de</strong>ux phases apparaissent dans <strong>la</strong> figure (5.1) comme <strong>de</strong>s principales pour<br />
i<strong>de</strong>ntifier <strong>la</strong> cinétique du gonflement<br />
Par ailleurs, ces <strong>de</strong>rnières années, G. Montes et al, ont constaté d’après une<br />
étu<strong>de</strong> expérimentale que l’évolution du phénomène gonflement -retrait d’une<br />
bentonite industrielle (d'isolement <strong>de</strong>s agrégats) i<strong>de</strong>ntifier aussi <strong>de</strong>ux phases<br />
fondamentale (figure 5.2). Ils ont utilisé un programme d'analyse d'image numérique<br />
(Visilog 5.3).
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
Cette analyse d'image numérique se compose <strong>de</strong> l’évaluation <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface <strong>de</strong><br />
gonflement retrait comme fonction du temps, par une métho<strong>de</strong> ESEM 12 et <strong>la</strong> métho<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> DIA 3 ..<br />
La manipu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ESEM pour étudier <strong>la</strong> cinétique du gonflement<br />
retrait consiste en <strong>de</strong>ux phases fondamentalement (figure 5.2) [26]:<br />
• La première phase : elle est aussi i<strong>de</strong>ntifier par <strong>de</strong>ux phases figure (5.2) :<br />
o Le gonflement intervi<strong>de</strong> : est très difficile à modéliser, en raison <strong>de</strong><br />
l'arrangement aléatoire <strong>de</strong>s particules dans l'adsorption initiale <strong>de</strong> l'eau.<br />
Dans le cas général cette phase est caractérisée par un non gonflement et<br />
parfois par une contraction globale.<br />
o Le gonflement primaire : présente un gonflement élevé pendant d'abord<br />
les premières minutes, après le gonflement diminue graduellement jusqu'à<br />
un maximum asymptotique <strong>de</strong> temps. Cette phase peut être modélisée<br />
par une équation exponentielle (1.6).<br />
• La <strong>de</strong>uxième phase : est seulement représentée à une humidité re<strong>la</strong>tive<br />
critique produite comme saturation maximale <strong>de</strong> l'eau avec une humidité re<strong>la</strong>tive<br />
critique. L'équation finale pour adapter seulement <strong>la</strong> <strong>de</strong>uxième étape du<br />
gonflement <strong>de</strong> bentonite modélisé par une équation exponentielle. (1.7). [26].<br />
La figure (5.2) données expérimentalement <strong>de</strong> G. Montes et al, montre que <strong>la</strong><br />
cinétique du gonflement <strong>de</strong>s grains <strong>de</strong> <strong>la</strong> bentonite (MX80) peut être définie par trois<br />
étapes produites comme saturation maximale <strong>de</strong> l'eau avec une humidité re<strong>la</strong>tive<br />
critique <strong>de</strong> 95% (figure 5.2).<br />
Figure 5.2 : <strong>de</strong>s différentes phases <strong>de</strong> l’évolution du gonflement.[26].<br />
2 ESEM : Enviromental Scring Electron Microscopy.<br />
3 DIA : Digital Image Analyse.<br />
110
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
Sridharan, Y. Gurtug, 2004 ; ont fait apparaître l’évolution <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong><br />
gonflement. Aussi, Ils caractérisent cette cinétique par <strong>de</strong>ux phases principales dans<br />
<strong>la</strong> première contient elle même <strong>de</strong>ux phases (<strong>la</strong> figure (5.3)) pour les argiles<br />
compactées à différentes énergies <strong>de</strong> compactage.<br />
Figure 5.3 : (a), (b) et (c) Evolution du gonflement pour déférents sols compactés par<br />
trois énergies diverses <strong>de</strong> compactage ; (d) Diagramme schématique montrant <strong>la</strong><br />
séparation du gonflement initial, primaire, et secondaire. [42].<br />
Les mêmes auteurs ont fait une comparaison entre le taux <strong>de</strong> gonflement<br />
secondaire et le taux <strong>de</strong> compression secondaire pour plusieurs types <strong>de</strong> sols<br />
compactés à différentes énergies selon l’essai <strong>de</strong> compressibilité sous une pression<br />
du 50 kPa. (Tableau 5.1).<br />
111
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
Tableau 5.1 : Taux <strong>de</strong> gonflement secondaire et le taux <strong>de</strong> compression secondaire [42].<br />
Les résultats montent que le taux <strong>de</strong> gonflement primaire est plus élevé que le<br />
taux <strong>de</strong> compression secondaire particulièrement pour les sols fortement p<strong>la</strong>stiques.<br />
2 RESULTATS DE L’EVOLUTION DU GONFLELEMENT EN<br />
FONCTION DU TEMPS A L’ETAT NATUREL<br />
Pour illustrer cette cinétique, nous avons procédé à un certain nombre d’essais.<br />
La procédure utilisée est dictée par <strong>la</strong> norme ASTM (métho<strong>de</strong> A) et <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
LCPC avec variation <strong>de</strong> volume. Les essais ont été réalisés avec et sans stabilisant<br />
<strong>chimique</strong> et ce afin <strong>de</strong> monter l’influence <strong>de</strong> ces <strong>de</strong>rniers sur <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong>s sols<br />
fins.<br />
Par analogie à l’essai <strong>de</strong> consolidation, <strong>de</strong>ux paramètres ont été défini; celui<br />
caractérisant le gonflement primaire dont lui même <strong>de</strong> phases initiale et primaire. Ce<br />
<strong>de</strong>rnier a un taux gonflement maximal (Gp) et celui caractérisant le gonflement<br />
secondaire (Gs) (voir les figures 5.4 et 5.5).<br />
La durée <strong>de</strong>s mesures très longues généralement varie entre (8 à 10) jours pour<br />
les argiles intactes <strong>de</strong> Mansourah et varie entre (5 à 6) jours pour l’argile remanie <strong>de</strong><br />
Imama pour atteindre l'équilibre en échelle logarithmique (voir tableau 5.4). Varie<br />
entre (15 à 20) jours pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia pour atteindre l'équilibre en échelle<br />
logarithmique (voir tableau 5.4).<br />
112
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
113
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
114
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
Figure 5.4 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence eau distillé pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia, l’argile intacte et<br />
remanier <strong>de</strong> Mansourah.<br />
115
Chapitre 06<br />
Cinétique du gonflement<br />
3. RESULTAS DE L’EVOLUTION DU GONFLELEMENT AVEC DES<br />
SOLUTIONS SALINES<br />
Du point <strong>de</strong> vue <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique du gonflement qui peut être déduite <strong>de</strong>s valeurs<br />
<strong>de</strong>s ou <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme <strong>de</strong>s courbes sur les figures 6.5 nous avons remarqué que <strong>la</strong><br />
présence <strong>de</strong>s sels se traduit, le plus souvent, soit par un ralentissement du<br />
gonflement <strong>de</strong>s matériaux intacts, soit à défaut par <strong>la</strong> même cinétique. Dans les <strong>de</strong>ux<br />
cas d'argiles remaniées, en revanche, nous avons noté que le phénomène inverse,<br />
c'est-à-dire une accélération du gonflement en présence <strong>de</strong> sels. Il faut néanmoins<br />
tempérer ces conclusions par le fait que les déterminations <strong>de</strong>s tic sont parfois<br />
difficiles à faire dans le cas <strong>de</strong>s argiles traitées en raison <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme peu régulière<br />
<strong>de</strong> certaines courbes <strong>de</strong> gonflement qui paraissent progresser par bonds successifs ;<br />
en outre, pour certains essais stabilisé par le sel du (AlCl3), <strong>la</strong> durée <strong>de</strong>s mesures<br />
très long généralement tourne vers (5 à 8) jours pour atteindre l'équilibre en échelle<br />
logarithmique (voir tableau 5.4).<br />
116
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
117
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.5 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Mansourah.<br />
118
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.6 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong><br />
Mansourah.<br />
119
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.7 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du KCL par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
compactée <strong>de</strong> Maghia.<br />
120
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.8 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
compacter <strong>de</strong> Maghia.<br />
121
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.9 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
compacter <strong>de</strong> Maghia.<br />
122
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.10 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
compacter <strong>de</strong> Maghia.<br />
123
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.11 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
compacter <strong>de</strong> Maghia.<br />
124
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.12: Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile<br />
compacter <strong>de</strong> Maghia.<br />
125
Chapitre 06<br />
Cinétique du gonflement<br />
4 MODELISATION DE LA CINETIQUE<br />
La modélisation <strong>de</strong> l'évolution du gonflement en fonction du temps a été proposée<br />
par différents auteurs, soit en considérant <strong>la</strong> dissipation <strong>de</strong> <strong>la</strong> succion (Baker et<br />
Kassif, 1968) cite par [13], soit en distinguant une phase <strong>de</strong> gonflement primaire<br />
(correspondant à <strong>la</strong> diffusion <strong>de</strong> l’eau dans les pores) et une phase <strong>de</strong> gonflement<br />
secondaire d’hydratation <strong>de</strong>s minéraux argileux (Alonso et al, 1989 ; Gens et al,<br />
1993). D’un point <strong>de</strong> vue empirique, certains auteurs (Dakshanamurthy, 1978 ;<br />
Sridharan et al.1986 ; Didier et al. 1987) cité par [13], préconisent <strong>de</strong> représenter <strong>la</strong><br />
cinétique du gonflement par une loi hyperbolique <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme :<br />
t<br />
ε v =<br />
(5.1)<br />
a + bt<br />
Où<br />
ε v : désigne <strong>la</strong> déformation verticale,<br />
t : temps et, a et b <strong>de</strong>ux constantes.<br />
Voysana<strong>de</strong> (1978) a, quant à lui, proposé <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion :<br />
t<br />
ε v = G<br />
(5.2)<br />
B + t<br />
t<br />
= t +<br />
G<br />
1<br />
ε<br />
v<br />
B<br />
G<br />
G : Le taux du gonflement final (pour un t infini).<br />
B : Le temps <strong>de</strong> <strong>de</strong>mi gonflement (% au gonflement final).<br />
(5.3)<br />
L’équation (5.3) est une droite dans le système <strong>de</strong> cordonnées (t, t/ε ) où G et B<br />
peuvent être déterminer graphiquement (voir figure 5.5).<br />
Ce modèle peut être déduit ce qui suit :<br />
Aissa mamoun, 2001, a aussi étudié <strong>la</strong> cinétique du gonflement pour quelques<br />
argiles <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen, il a utilisé <strong>la</strong> même re<strong>la</strong>tion proposée par Voysana<strong>de</strong><br />
(1978).<br />
Il a trouvé une <strong>la</strong>rge fidélité du modèle par rapport aux mesures en ce qui<br />
concerne le taux <strong>de</strong> gonflement. Ceci peut s’expliquer par l’aspect <strong>de</strong> re<strong>la</strong>tivité <strong>de</strong>s<br />
déformations.<br />
Aussi il a remarqué une incompatibilité totale entre les mesures et le modèle pour<br />
le temps du <strong>de</strong>mi gonflement et ce vu le temps très réduit obtenu par le modèle. Ceci<br />
ne reflète pas <strong>la</strong> réalité pour ce type <strong>de</strong> sol où le gonflement n’est obtenu qu’à long<br />
terme.<br />
127
Chapitre 06<br />
Cinétique du gonflement<br />
Sridharan, Y. Gurtug, 2004 ; ont étudié l’influence <strong>de</strong> l'énergie <strong>de</strong> compactage, ont<br />
établit à partir <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement sur <strong>de</strong>s échantillons ayant un pourcentage<br />
<strong>de</strong> p<strong>la</strong>sticité diffèrent (kaolinite et l’argile <strong>de</strong> montmorillonite). Ils ont utilisé <strong>la</strong> même<br />
re<strong>la</strong>tion linéaire citée précé<strong>de</strong>mment pour étudier <strong>la</strong> cinétique du gonflement pour<br />
ces argiles compactées à différentes énergies <strong>de</strong> compactage.<br />
Il ont trouvé une <strong>la</strong>rge fiabilité du modèle par rapport aux mesures en ce qui<br />
concerne <strong>la</strong> détermination du taux <strong>de</strong> gonflement final.<br />
G. Montes-H et al, ont fait une étu<strong>de</strong> expérimentale sur <strong>la</strong> cinétique du gonflement,<br />
il ont adapté un modèle <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique du premier ordre comme suit :<br />
dw<br />
k<br />
dt<br />
=<br />
( w w)<br />
M −<br />
(5.4)<br />
Ce modèle cinétique représente l'augmentation <strong>de</strong> volume en fonction du temps<br />
jusqu'à un maximum asymptotique du temps. La forme intégrale est représentée par<br />
l'équation exponentielle :<br />
( 1−<br />
( kt)<br />
)<br />
w = wM<br />
exp −<br />
(5.5)<br />
L’équation (5.5) [2] peut seulement être appliquée quand le volume change.<br />
Malheureusement, <strong>la</strong> mesure estimée dans cette étu<strong>de</strong> correspond aux variations<br />
extérieures, et pas aux variations <strong>de</strong> volume. Donc ils ont considéré que le<br />
phénomène gonflement - retrait <strong>de</strong> <strong>la</strong> bentonite est equi-dimensionnel à une ba<strong>la</strong>nce<br />
globale.<br />
L’équation (5.5) peut être écrite en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> limite <strong>de</strong> <strong>la</strong> surface :<br />
( ( ) ) 3<br />
2<br />
1− exp kt<br />
S = S M −<br />
(5.6)<br />
Où SM est le gonflement maximum <strong>de</strong> <strong>la</strong> première phase (%), k est le coefficient du<br />
gonflement (1/min), et t0 est l'initiale pério<strong>de</strong> du gonflement exponentiel.<br />
L'équation finale pour adapter seulement <strong>la</strong> <strong>de</strong>uxième phase <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong><br />
(secondaire) bentonite est alors :<br />
( ( ( ) ) ) 3<br />
2<br />
1− exp − k t t<br />
S = S M −<br />
(5.7)<br />
0<br />
Les mêmes auteurs ont modélisé aussi le comportement <strong>de</strong> rétrécissement par<br />
une étape, ce qui peut être modélisé par un modèle d'affaiblissement exponentiel.<br />
L'équation finale en termes <strong>de</strong> surface est :<br />
( ( ) ) 3<br />
2<br />
exp − k t<br />
D = S M<br />
d<br />
(5.8)<br />
A travers cette étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement on utilise le modèle <strong>de</strong><br />
VOYSANADE, en <strong>de</strong>ux cas :<br />
128
Chapitre 06<br />
Cinétique du gonflement<br />
• La cinétique <strong>de</strong> gonflement pour les sols gonflés naturellement (imbibition en<br />
eau).<br />
• La cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong>s sels (imbibition avec solution<br />
saline).<br />
4.1. RESULTAS DE LA CINITIQUE DU GONFLELEMENT A ETAT<br />
NATUREL<br />
Les courbes (5.13 et 5.14) ont été établies à partir <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement<br />
(ASTM métho<strong>de</strong> A) et <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> LCPC avec variation <strong>de</strong> volume sur différents<br />
échantillons différents pour <strong>la</strong> <strong>de</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen. Ces courbes illustre tes bien les<br />
paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement tels que le taux <strong>de</strong> gonflement final, le<br />
temps <strong>de</strong> <strong>de</strong>mi gonflement et <strong>la</strong> pente. Ces <strong>de</strong>rniers déterminer facilement à partir<br />
graphe.<br />
129
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.13 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> mansourah.<br />
130
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.14 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence a état naturel s pour différent type l’argile <strong>de</strong> mansourah.<br />
131
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.15 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> l’eau<br />
pour quelques’argile <strong>de</strong> Tlemcen a différents état initial.<br />
Figure 5.16 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> l’eau<br />
pour quelques argiles <strong>de</strong> intacte <strong>de</strong> Mansourah.<br />
Figure 5.17 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> l’eau pour quelques’argile <strong>de</strong> remanie <strong>de</strong> Imama.<br />
132
Chapitre 06<br />
Cinétique du gonflement<br />
4.2. RESULTAS DE LA CINITIQUE DU GONFLELEMENT EN<br />
PRESENCE DES SOLUSIONS SALINES<br />
Les courbes (5.13 et 5.14) ont été établies à partir <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement<br />
(ASTM métho<strong>de</strong> A) pour <strong>de</strong>ux échantillons différents <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen.<br />
Ces courbes illustre tes bien l’effet <strong>de</strong>s sur les paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong><br />
gonflement tels que le taux <strong>de</strong> gonflement final, le temps <strong>de</strong> <strong>de</strong>mi gonflement et <strong>la</strong><br />
pente. Ces <strong>de</strong>rniers déterminer facilement à partir <strong>de</strong>s graphes.<br />
133
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.18 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du KCL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia.<br />
134
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.19 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du NH4CL par différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia.<br />
135
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.20 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Nacl par différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia.<br />
136
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.21 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Cacl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia.<br />
137
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.22 : Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Mgcl2 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia.<br />
138
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.23: Cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence du Alcl3 par différentes concentrations salines pour l’argile compacter <strong>de</strong><br />
Maghnia.<br />
139
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.24: Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en<br />
présence du KCL.<br />
Figure 5.265: Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en<br />
présence du NH4CL.<br />
Figure 5.25: Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
NACL.<br />
Figure 5.27: Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
MgCl2.<br />
140
Chapitre 06 Cinétique du gonflement<br />
Figure 5.28: Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en<br />
présence du CaCl2.<br />
Figure 5.30 : Argile compacter <strong>de</strong> Mansourah en p<br />
résence du CaCl2.<br />
Figure 5.29 : Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
AlCl3.<br />
Figure 5.31 : Argile compacter <strong>de</strong> Mansourah en présence<br />
du NACL.<br />
141
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
Tableau 5.2: Des paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> différentes solutions salines a plusieurs concentrations pour l’argile<br />
Maghnia.<br />
142
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
Tableau 5.2: Des paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> différentes solutions salines a plusieurs concentrations pour l’argile<br />
<strong>de</strong> Mansourah.<br />
143
Chapitre 06 cinétique du gonflement<br />
5 CONCLUSION<br />
Dans une première nous avons défini <strong>la</strong> cinétique du gonflement d’après diverses<br />
approches. Et afin <strong>de</strong> s’intéresser à l’évolution du gonflement en fonction du temps<br />
par analogie aux paramètres <strong>de</strong> consolidation, il a été proposé <strong>de</strong>ux coefficients (pp)<br />
et (pi) caractérisant respectivement le gonflement initial et le gonflement primaire.<br />
En <strong>de</strong>rnière étape et dans un souci d’enrichissement <strong>de</strong>s procédures <strong>de</strong> mesure<br />
<strong>de</strong> gonflement, il a été introduit l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement qui a permis à<br />
l'évaluation d'une bonne approximation du taux <strong>de</strong> gonflement final.<br />
144
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Chapitre 06<br />
1. INTRODUCTION<br />
SABILISATION DU GONFLEMENT PAR LES SELS.<br />
Historiquement, c’est à l’ai<strong>de</strong> d’œdomètres que les premiers essais <strong>de</strong> gonflement<br />
ont été réalisés. Cet appareil<strong>la</strong>ge est bien adapté à <strong>la</strong> mesure d’une variation <strong>de</strong><br />
volume et offre un moyen direct <strong>de</strong> suivi du gonflement lors <strong>de</strong> <strong>la</strong> mise en imbibition<br />
<strong>de</strong> l’éprouvette,<br />
La plupart <strong>de</strong>s recherches ont mentionné l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution<br />
d’hydratation sur le gonflement <strong>de</strong>s matériaux argileux.<br />
En première approximation, à partir du concept d'épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche<br />
diffuse (Komine & Ogata, 1992) [18].<br />
Daupley cité par [46] ; a effectué sur <strong>de</strong>s échantillons d’argilite <strong>de</strong> Tournemire<br />
immergés dans différentes solutions salines <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement libre suivant<br />
une direction normale a <strong>la</strong> stratification. Cependant, Daupley n’a pas mis en relief<br />
l’influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature du sel (KCl, NaCl et CaCl2) sur le gonflement. Il a imputé le<br />
gonflement au seul phénomène osmotique, autrement dit à <strong>la</strong> différence <strong>de</strong><br />
concentration entre <strong>la</strong> solution d’immersion et l’eau <strong>de</strong>s pores.<br />
Les résultats <strong>de</strong>s essais du gonflement libre ou du gonflement empêché qui<br />
montrent l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> chimie sur le gonflement se contredisent par rapport aux essais<br />
effectués par Barbier cité par [46] sur l’argilite <strong>de</strong> Bure au moyen <strong>de</strong> l’appareil<br />
triaxial sous contraintes isotropes <strong>de</strong> 12 MPa à partir <strong>de</strong>squels il a montré que le<br />
gonflement est indépendant <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature et <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration en sel.<br />
De ce fait, il est intéressant <strong>de</strong> ne pas se satisfaire une analyse <strong>de</strong> l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
chimie sur les paramètres du gonflement ou retrait mais d’illustrer également l’effet<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte.<br />
2 - GONFLEMENT ET ECHANGE IONIQUE<br />
2.1 RAPPEL SUR LES ECHANGES IONIQUES<br />
L’´échange ionique est un processus physico-<strong>chimique</strong> prépondérant pour les<br />
minéraux argileux gonf<strong>la</strong>nts comme <strong>la</strong> famille <strong>de</strong>s smectites. Le déficit <strong>de</strong> charges<br />
145
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
positives, résultant <strong>de</strong> <strong>la</strong> substitution <strong>de</strong>s ions Al3+ et Si4+ du réseau cristallin par<br />
<strong>de</strong>s ions <strong>de</strong> charges formelles moindres (Fe2,+ Mg2+, etc.), est compensé par <strong>la</strong><br />
présence <strong>de</strong> cations dans l’espace interfoliaire localisé entre les feuillets argileux.<br />
Ces ions, mobiles et plus moins solvatés par <strong>de</strong>s molécules d’eau, peuvent<br />
s’échanger rapi<strong>de</strong>ment avec les ions d’une solution externe en contact avec le<br />
matériau argileux. La réaction d’échange entre un ion en solution et <strong>de</strong>ux ions<br />
échangeables d’une argile s’écrit comme suit (cf. par exemple De Windt et al, cité<br />
par [46] :<br />
(6.1)<br />
Cette réaction peut être décrite par une équation c<strong>la</strong>ssique <strong>de</strong> bi<strong>la</strong>n <strong>de</strong> masse<br />
associée a une constante d’équilibre K :<br />
(6.2)<br />
Où les parenthèses représentent l’activité <strong>de</strong>s espèces en solution et dans<br />
l’espace interfoliaire. La détermination <strong>de</strong> cette constante d’échange permet <strong>de</strong><br />
prédire <strong>la</strong> distribution <strong>de</strong>s espèces cationiques entre <strong>la</strong> solution et l’argile.<br />
Le mécanisme d’échange est également associé à <strong>la</strong> capacité d’échange<br />
cationique (CEC), paramètre exprimant <strong>la</strong> quantité d’ions potentiellement<br />
échangeables (unités en meq/100 g <strong>de</strong> soli<strong>de</strong>). Comme mentionné ci-<strong>de</strong>ssus, une<br />
argile a donc toujours une popu<strong>la</strong>tion d’ions échangeables pour <strong>de</strong>s raisons<br />
d’électroneutralité. Cette popu<strong>la</strong>tion dépend <strong>de</strong> l’historique du matériau argileux<br />
(dominance <strong>de</strong>s ions Ca2+ dans l’argilite <strong>de</strong> Tournemire ou <strong>de</strong>s ions Na+ dans une<br />
bentonite sodique par exemple).<br />
Ainsi, si un échantillon d’argilite <strong>de</strong> Tournemire est immergé dans une solution<br />
saline <strong>de</strong> NaCl, il se produira <strong>de</strong>s échanges ioniques <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme suivante :<br />
(6.3)<br />
Le gonflement plus ou moins important <strong>de</strong>s argiles va dépendre <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature du<br />
cation interfoliaire, ou plus précisément <strong>de</strong> son énergie d’hydratation. Les ions <strong>de</strong><br />
sodium restent ainsi plus hydratés que les ions <strong>de</strong> potassium, en solution, mais aussi<br />
au sein même <strong>de</strong> l’espace interfoliaire. Les molécules d’eau occupant un certain<br />
volume, les argiles sodiques présentent généralement un gonflement plus prononcé.<br />
A contrario, une augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> popu<strong>la</strong>tion échangeable en ions K+ aura<br />
souvent pour effet <strong>de</strong> réduire le gonflement.<br />
Le gonflement tire aussi son origine <strong>de</strong> <strong>la</strong> répulsion électrostatique entre les<br />
surfaces chargées <strong>de</strong>s feuillets d’argile. Ce processus est sensible à <strong>la</strong> force ionique<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> solution interstitielle (différente <strong>de</strong> l’espace interfoliaire). Une force ionique<br />
élevée (une charge en sel importante) réduira les forces électrostatiques et<br />
146
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
favorisera le retrait du matériau. Au contraire, une dilution <strong>de</strong> cette solution<br />
interstitielle induira du gonflement.<br />
Enfin, il faut mentionner que les échanges ioniques qui sont <strong>de</strong> nature réversible<br />
peuvent évoluer dans le temps en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> diffusion <strong>de</strong>s ions et/ou <strong>de</strong> réactions<br />
<strong>chimique</strong>s <strong>de</strong> dissolution et <strong>de</strong> précipitation <strong>de</strong> cinétiques plus lentes.<br />
2.2 COEFFICIENTS D'ACTIVITE DES SOLUTIONS SALINES<br />
Tous les calculs d'activité ont été réalisés avec le logiciel PHREEQC (101) cite par<br />
[39], logiciel <strong>de</strong> spéciation permettant <strong>de</strong> modéliser les comportements <strong>de</strong> nombreux<br />
composés minéraux dans <strong>de</strong>s solutions re<strong>la</strong>tivement concentrées (complexation <strong>de</strong><br />
surface, propriétés <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche, dissolution - précipitation, etc.). Pour<br />
calculer l'activité du calcium en solution, <strong>la</strong> formule <strong>de</strong> Debye-Hückel a été utilisée :<br />
(6.4)<br />
Où A et B sont <strong>de</strong>s constantes dépendantes uniquement <strong>de</strong> <strong>la</strong> température,a 0 i et<br />
bi sont <strong>de</strong>s paramètres spécifiques <strong>de</strong> chaque ion i considéré, dépendants <strong>de</strong> sa<br />
taille et <strong>de</strong> son énergie d'hydratation, zi est <strong>la</strong> charge ionique <strong>de</strong> l'espèce i et m est<br />
<strong>la</strong> force ionique <strong>de</strong> <strong>la</strong> solution.<br />
L'activité est alors définie par ai = γ ixci<br />
ci est <strong>la</strong> mo<strong>la</strong>lité ionique <strong>de</strong> l'espèce i (c'est-<br />
à-dire sa concentration exprimée par unité <strong>de</strong> masse <strong>de</strong> solvant).<br />
3. MESURE DU GONFLEMENT ET DE LA PRESSION DE<br />
GONFLEMENT A L’OEDOMETRE<br />
Il existe une multitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> métho<strong>de</strong>s pour mesurer <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement à<br />
l’oedomètre. Les métho<strong>de</strong>s les plus répandues sont :<br />
3.1. LA METHODE D’HUDER ET AMBERG: (1970) dans <strong>la</strong>quelle le chemin suivi<br />
permet <strong>de</strong> s’affranchir d’un certain nombre d’incertitu<strong>de</strong>s liées par exemple au<br />
prélèvement du sol ; cette métho<strong>de</strong> est re<strong>la</strong>tivement délicate à appliquer car elle<br />
nécessite l’extrapo<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong> chargement. [13],<br />
3.2. LA METHODE DE GONFLEMENT A VOLUME CONSTANT: selon <strong>la</strong> norme<br />
ASTMD ∗ 4546-90 : <strong>la</strong> tendance <strong>de</strong> l’échantillon à gonfler est neutralisée par<br />
l’application d’une charge croissante dès que le dép<strong>la</strong>cement du comparateur ait<br />
∗ American Society of Testing Material<br />
147
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
atteint 1/100 mm. La valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> charge lorsque l’échantillon est stabilisé est <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement selon (Sullivan & Mac Lel<strong>la</strong>nd, cité par [13].<br />
3.3. LA METHODE DE GONFLEMENT OU TASSEMENT SOUS CHARGE<br />
CONSTANTE: qui nécessite plusieurs échantillons i<strong>de</strong>ntiques ; chaque échantillon<br />
est soumis à une humidification sous charge constante ; selon <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> charge,<br />
il se produit un gonflement ou un effondrement du sol. En traçant <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong>s<br />
déformations volumiques en fonction <strong>de</strong>s contraintes appliquées, on peut déterminer<br />
<strong>la</strong> contrainte correspondante à une déformation nulle, qui est <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement. Selon Sridharan & al. [46], cette courbe est une droite, tandis que Chu &<br />
Mou (1973) trouvent une exponentielle et Philipponat cité par [11], une droite ou une<br />
hyperbole.<br />
3.4. LA METHODE DE GONFLEMENT LIBRE : suivi d’un rechargement ; après <strong>la</strong><br />
phase <strong>de</strong> gonflement libre sous faible charge, l’échantillon quasi saturé suit un<br />
chemin <strong>de</strong> chargement jusqu’à ce que son volume revienne à sa valeur initiale ; <strong>la</strong><br />
contrainte correspondante est <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement.[11].<br />
3.5. GONFLEMENT SELON LA NORME ASTM D-4546-90 – METHODE A<br />
La procédure ASTM-D adopte <strong>la</strong> correction <strong>de</strong> l’effet du remaniement par<br />
l’application d’un cycle <strong>de</strong> chargement déchargement (Voir figure 6.1), <strong>la</strong> contrainte<br />
finale <strong>de</strong> ce cycle étant l’équivalent du poids <strong>de</strong>s terres avant l’extraction <strong>de</strong><br />
l’échantillon. Le gonflement <strong>de</strong> ce <strong>de</strong>rnier, obtenu par imbibition, sera suivi jusqu’à<br />
<strong>stabilisation</strong>. La pression et l’amplitu<strong>de</strong> du gonflement seront obtenues <strong>de</strong> <strong>la</strong> même<br />
manière que pour <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> B <strong>de</strong> <strong>la</strong> procédure ASTM-D (annexe 3). [5].<br />
Figure 6.1 : Schéma d’un essai <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> A <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D<br />
cité par [5].<br />
3.6. METHODE LCPC AVEC VARIATION DE VOLUME<br />
148
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Le <strong>la</strong>boratoire central <strong>de</strong>s ponts et chaussées propose <strong>de</strong>ux variantes pour<br />
mesurer-les paramètres <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong>s sols avec variation <strong>de</strong> volume (figure<br />
4.13).<br />
Si <strong>la</strong> contrainte <strong>de</strong> service σ s est inférieure à <strong>la</strong> contrainte <strong>de</strong>s poids <strong>de</strong>s terres<br />
( σ s < σ v0<br />
) ; <strong>la</strong> variante adoptée consiste à charger l’échantillon avec un taux <strong>de</strong><br />
chargement <strong>de</strong> 0.2 jusqu’à ce qu’il retrouve sa hauteur initiale, puis le <strong>la</strong>isser gonfler<br />
par hydratation. Une fois l’amplitu<strong>de</strong> du gonflement maximale atteinte, l’échantillon<br />
est déchargée par palier régulier. La pression <strong>de</strong> gonflement est déterminée par<br />
extrapo<strong>la</strong>tion.<br />
Si <strong>la</strong> contrainte <strong>de</strong> service σ s est supérieure à <strong>la</strong> contrainte <strong>de</strong>s poids <strong>de</strong>s terres, <strong>la</strong><br />
variante adoptée consiste à charger l’échantillon toujours avec le taux <strong>de</strong> 0.2 jusqu’à<br />
ce qu’il retrouve sa hauteur initiale, puis le <strong>la</strong>isser gonfler par hydratation. Une fois<br />
l’amplitu<strong>de</strong> du gonflement maximale atteinte, ’échantillon est chargé pour le remettre<br />
aux dimensions qu’il avait sous <strong>la</strong> contrainte. σv0 La pression <strong>de</strong> gonflement est <strong>la</strong><br />
contrainte qui permet ce retour.<br />
4. PROCEDURE EXPERIMENTALE<br />
4.1. RUSULTATS DE LA MESURE DU GONFLEMENT ET DE LA<br />
PRESSION DE GONFLEMENT A L’OEDOMETRE<br />
Seule les <strong>de</strong>ux métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong>rnières procédures décrites précé<strong>de</strong>ntes utilisées<br />
pour les mesures <strong>de</strong> nos sols.<br />
Les essais ont été effectués soit sur <strong>de</strong>s échantillons intacts, remanier soit sur <strong>de</strong>s<br />
échantillons compacter. Ces <strong>de</strong>rniers ont été préparés par broyage puis par<br />
compactage par une teneur en eau <strong>de</strong> l’optimum à 24 % (compactage normal) et<br />
une <strong>de</strong>nsité sèche <strong>de</strong> 13,6 KN/m 3 dans le moule <strong>de</strong> compactage normal.<br />
149
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.2 : Courbe oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D 4546 -pour différentes argiles<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen a état naturel.<br />
150
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
151
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.3 : Courbe oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> LCPC avec variation <strong>de</strong> volume en état naturel pour<br />
l’argile <strong>de</strong> Tlemcen<br />
152
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Les courbes (6.2, et 6.3) ont été établies à partir <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement ASTM<br />
(métho<strong>de</strong> A) et <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> LCPC avec variation <strong>de</strong> volume pour <strong>de</strong>ux<br />
échantillons différents <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen. Ces courbes illustre tes bien <strong>de</strong>s<br />
les paramètres <strong>de</strong> gonflement tels que <strong>la</strong> pressions <strong>de</strong> gonflement, et indice <strong>de</strong> vi<strong>de</strong><br />
initiale et finale<br />
D’après ces résultas expérimentale, nous avons conclu que <strong>la</strong> durée <strong>de</strong> l’essai<br />
selon <strong>la</strong> procédure <strong>de</strong> LCPC avec variation très longue (trois mois) par rapport <strong>la</strong><br />
procédure <strong>de</strong> ASTM (métho<strong>de</strong> A), pour cette raison nous avons suivie nos essais <strong>de</strong><br />
gonflement en présence <strong>de</strong>s solutions saline par cette <strong>de</strong>rnière.<br />
5. SABILISATION DU GONFLEMENT PAR LES SELS<br />
Les sels sont <strong>de</strong>s corps résultant <strong>de</strong> l’action d’un aci<strong>de</strong> sur une base .Dans le<br />
domaine du génie civil, ils sont généralement utilisés pour lutter contre le gonflement<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> formation argileuse, ils agissent sur l’équilibre <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression osmotique et<br />
assurent une <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts.<br />
A <strong>la</strong> lumière <strong>de</strong> ce résultat, un programme expérimental a été <strong>la</strong>ncé afin <strong>de</strong> rendre<br />
compte <strong>de</strong> l’effet <strong>de</strong>s sollicitations <strong>chimique</strong>s et mécaniques sur le gonflement.<br />
Pour étudier l'effet <strong>de</strong>s sels sur le gonflement libre <strong>de</strong>s sols étudiés, les<br />
échantillons ont été saturés dans une cellule oedométrique par <strong>de</strong>s solutions salines<br />
à différentes concentrations. Ensuite le gonflement a été mesuré en fonction du<br />
temps jusqu'à <strong>stabilisation</strong>. Le gonflement final est comparé au gonflement final <strong>de</strong><br />
l'argile saturée à l'eau. La réduction du gonflement final exprimée en pourcents est <strong>la</strong><br />
différence entre les gonflements à l'eau et avec les solutions salines, rapportée au<br />
gonflement final en présence d'eau.<br />
Δ<br />
G<br />
La réduction du gonflement est donnée par <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion :<br />
G<br />
( % ) − G ( % )<br />
G ( % )<br />
G eau<br />
sel<br />
=<br />
eau<br />
(6.5)<br />
Le but <strong>de</strong> cette série d’essais est consacré d’une part à <strong>la</strong> recherche <strong>de</strong> solutions<br />
susceptibles d'empêcher le gonflement <strong>de</strong>s argiles étudiées et d’autre part à ne<br />
retenir que celles qui nous donnent un phénomène irréversible du gonflement.<br />
Les essais choisis sont <strong>de</strong>s essais uniaxiaux (uniquement une contrainte axiale<br />
est appliquée). Le choix <strong>de</strong> ces essais a été guidé selon <strong>la</strong> norme ASTM 4546D<br />
métho<strong>de</strong> (voir métho<strong>de</strong> détaillée annexe 1).<br />
Les solutions salines ont été préparées par dissolution <strong>de</strong> sels dans l’eau<br />
déminéralisée. La liste <strong>de</strong>s sels monovalents, <strong>de</strong>s sels divalents et un sel trivalent à<br />
différentes concentrations sont :<br />
• Chlorure <strong>de</strong> Potassium KCl<br />
154
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
• Chlorure <strong>de</strong> Sodium NaCl<br />
• Chlorure d’ammonium N4HCl<br />
• Chlorure <strong>de</strong> Calcium CaCl2<br />
• Chlorure <strong>de</strong> Magnésium MgCl2<br />
• Chlorure <strong>de</strong> Aluminium AlCl3<br />
Les mo<strong>la</strong>lités <strong>de</strong>s solutions salines sont <strong>de</strong> 0,05 mole/litre (M) ; 0,5 M ; 1 M et 2 M.<br />
Ces sels ont été choisis du fait qu’ils sont fréquents dans <strong>la</strong> composition <strong>de</strong> l’eau<br />
interstitielle <strong>de</strong>s formations argileuses.<br />
Les essais ont été effectués sur <strong>de</strong>s échantillons intacts <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Mansourah<br />
(Tlemcen) avec un sel <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> calcium (Cacl2) à cinq concentrations (0,5, 2,<br />
2,5, 3, et 5 mole/l).<br />
D’autres essais ont été effectués sur <strong>de</strong>s échantillons remaniés pour <strong>de</strong> l’argile<br />
Mansourah (Tlemcen) avec un sel <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> sodium (Nacl) à cinq concentration<br />
(0,05, 0,5, 1, 2 et 2,5 mole /l), ayant les caractéristiques suivantes :<br />
• Densité sèche Yd =16KN/m 3<br />
• Teneur en eau W0 = 25%<br />
• Hauteur H =20 mm<br />
D’autres essais ont été effectués sur <strong>de</strong>s échantillons reconstitués à une teneur en<br />
eau <strong>de</strong> 24% et une <strong>de</strong>nsité sèche <strong>de</strong> 13,6 KN/m 3 <strong>de</strong> l’essai Proctor normal selon <strong>la</strong><br />
norme NF - P94-93 pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Les dimensions <strong>de</strong>s tous les échantillons utilisés :<br />
• Les échantillons ont une hauteur <strong>de</strong> 20 mm et un diamètre <strong>de</strong> 50 mm.<br />
• D’autres ont une hauteur <strong>de</strong> 18 mm et un diamètre <strong>de</strong> 50 mm.<br />
• D’autres ont une cote <strong>de</strong> 36 mm.<br />
6. RESULTATS OBTENUS<br />
Les tentatives <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>chimique</strong> du gonflement se font uniquement pour<br />
l’argile <strong>de</strong> Maghnia et <strong>de</strong> Mansourah par six types <strong>de</strong> sels.<br />
Nous avons réalisé une trentaine essais <strong>de</strong> gonflement libre (métho<strong>de</strong> A) selon <strong>la</strong><br />
<strong>la</strong> norme ASTM. Les caractéristiques initiales <strong>de</strong> ces essais sont fixées<br />
théoriquement et les valeurs réelles ont présenté préa<strong>la</strong>blement.<br />
6.1. ACTION DES DIFFERENTS TYPES DE SELS SUR LE TAUX DE<br />
GONFLEMENT<br />
6.1.1 Action chlorure <strong>de</strong> sodium<br />
Les figures (6.3) et (6.4) représentent <strong>la</strong> variation du taux <strong>de</strong> gonflement (G) en<br />
fonction du logarithme du temps <strong>de</strong> l’argile remaniée <strong>de</strong> Mansourah (Tlemcen) et<br />
l’argile reconstituée <strong>de</strong> Maghnia respectivement à différentes concentrations.<br />
155
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.4: Action chlorure <strong>de</strong><br />
sodium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Figure 6.5 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium<br />
pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah.<br />
Nous pouvons remarquer qu’une forte concentration <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> sodium a pour<br />
l’effet <strong>de</strong> diminuer le gonflement final.<br />
La concentration <strong>de</strong> 2 mole/l donne une valeur <strong>de</strong> gonflement final <strong>de</strong> 8,056% soit<br />
une réduction <strong>de</strong> 70% par rapport à l’eau pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia et un gonflement<br />
final <strong>de</strong> 2,725 soit une réduction <strong>de</strong> 51% par rapport à l’eau pour l’argile remaniée <strong>de</strong><br />
Mansourah.<br />
Le tableau (6.1) présente les différents pourcentages <strong>de</strong> réduction pour les<br />
différentes concentrations.<br />
Tableau 6.1 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia et Mansourah en<br />
présence du chlorure <strong>de</strong> sodium.<br />
6.1.2 Action Chlorure potassium<br />
Nous avons trouvé qu’avec une faible concentration <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> potassium a<br />
pour effet <strong>de</strong> diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration <strong>de</strong><br />
156
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
0,5 mole/l le gonflement final %. Ceci est c<strong>la</strong>ir dans <strong>la</strong> figure (6.6) pour l’argile <strong>de</strong><br />
Maghnia. Aussi ce sel a une efficacité sur <strong>la</strong> vitesse du gonflement (voir chapitre 6).<br />
Figure 6.6: Action chlorure <strong>de</strong> potassium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Le tableau (6.2) présente les différents pourcentages <strong>de</strong> réduction pour les<br />
différentes concentrations.<br />
Tableau 6.2 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
chlorure <strong>de</strong> potassium pour l’argile<br />
6.1.3 Action Chlorure d’ammonium<br />
La figure suivante représente <strong>la</strong> variation du taux <strong>de</strong> gonflement (G) en fonction du<br />
logarithme du temps <strong>de</strong> l’argile reconstituée <strong>de</strong> Maghnia à différentes concentrations.<br />
157
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.7 : Action chlorure d’ammonium pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
La même remarque qu’une forte concentration <strong>de</strong> chlorure d’ammonium a pour<br />
effet <strong>de</strong> diminuer le gonflement final. La concentration <strong>de</strong> 2 mole/l donne une valeur<br />
<strong>de</strong> gonflement final <strong>de</strong> 8,565 soit une réduction <strong>de</strong> 68 par rapport à l’eau pour l’argile<br />
<strong>de</strong> Maghnia. Le tableau (6.3) présente les différents pourcentages <strong>de</strong> réduction pour<br />
les différentes concentrations.<br />
Tableau 6.3 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
chlorure d’ammonium.<br />
6.1.4 Action Chlorure Calcium<br />
Figure 6.6 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium<br />
pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Figure 6.7 : Action chlorure <strong>de</strong> sodium<br />
pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Nous pouvons constater qu’avec une forte concentration <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> calcium a<br />
pour effet <strong>de</strong> diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration <strong>de</strong> 5<br />
mole/l le gonflement final est <strong>de</strong> 5,07 soit une réduction <strong>de</strong> 75% par rapport à l’eau<br />
pour l’argile intacte <strong>de</strong> Mansourah (Tlemcen) et pour une concentration <strong>de</strong> 2 mole/l le<br />
taux <strong>de</strong> gonflement est <strong>de</strong> 5,065% soit une réduction <strong>de</strong> 81% par rapport à l’eau pour<br />
l’argile <strong>de</strong> Maghnia. Le tableau 6.4 présente les différents pourcentages <strong>de</strong> réduction<br />
pour les différentes concentrations.<br />
158
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Tableau 6.8 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia et Mansourah en<br />
présence du chlorure <strong>de</strong> Calcium.<br />
6.1.5 Action Chlorure Magnésium<br />
Figure 6.9 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
chlorure <strong>de</strong>. Magnésium.<br />
Le tableau (6.5) présente les différents pourcentages <strong>de</strong> réduction pour les<br />
différentes concentrations.<br />
Tableau 6.5 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
chlorure <strong>de</strong> Magnésium.<br />
159
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Nous pouvons constater qu’avec une forte concentration <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong><br />
magnésium a pour effet <strong>de</strong> diminuer le gonflement final : par exemple pour une<br />
concentration <strong>de</strong> 2 mole/l le gonflement final est <strong>de</strong> 5,111 soit une réduction <strong>de</strong> 81%<br />
par rapport à l’eau pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
6.1.6 Action Chlorure d’aluminium<br />
Figure 6.10 :. Réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
chlorure d’aluminium.<br />
Le tableau (6.6) présente les différents pourcentages <strong>de</strong> réduction pour les<br />
différentes concentrations.<br />
Tableau 6.6 : réduction du gonflement final <strong>de</strong> l’argile <strong>de</strong> Maghnia en présence du<br />
chlorure <strong>de</strong> Magnésium.<br />
Nous pouvons observer qu’avec une forte concentration <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> aluminium<br />
a pour effet <strong>de</strong> diminuer le gonflement final : par exemple pour une concentration <strong>de</strong><br />
160
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
5 mole/l le gonflement final est <strong>de</strong> 7,743 soit une réduction <strong>de</strong> 71,21% par rapport à<br />
l’eau pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia. Ces résultats sont n’est pas accordés que nous<br />
avons vu dans <strong>la</strong> théorique.<br />
6.2 INFLUENCE DE LA VALENCE DES CATIONS.<br />
La valence est probablement le facteur déterminant dans <strong>la</strong> capacité d’échange ou<br />
<strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement <strong>de</strong>s cations plus élevé qui peuvent remp<strong>la</strong>cer facilement les<br />
cations <strong>de</strong> valeurs plus faibles. Dans le cas <strong>de</strong>s ions <strong>de</strong> même valence, <strong>la</strong> taille <strong>de</strong><br />
l’ion hydraté revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité<br />
<strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement est gran<strong>de</strong>.<br />
Le potassium remplit pose toutefois un problème supplémentaire. En effet même<br />
s’il est monovalent, le potassium remplit très bien le trou hexagonal dans le feuillet<br />
<strong>de</strong> silice ; par conséquent, il sera soli<strong>de</strong>ment maintenu en p<strong>la</strong>ce à <strong>la</strong> surface <strong>de</strong><br />
l’argile et aura une plus gran<strong>de</strong> capacité <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement que le sodium (aussi<br />
monovalent), par exemple. On peut dresser une liste <strong>de</strong>s cations par ordre<br />
approximatif <strong>de</strong> capacité <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement, mais l’ordre réel dépend, entre autres<br />
choses, du type d’argile, <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature <strong>de</strong>s ions à remp<strong>la</strong>cer et <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong>s<br />
divers ions dans l'eau. Par ordre <strong>de</strong> capacité <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement croissante, les ions<br />
se c<strong>la</strong>ssent comme suit : d'après holtz D et wil<strong>la</strong>m D.<br />
Li +
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
est <strong>de</strong> 5.6 A0, il est le plus élevé par rapport au rayon d’ion <strong>de</strong> K + qui a <strong>la</strong> même<br />
valence <strong>de</strong> 3,8. Voir tableau suivant :<br />
Tableau 6.7 : La taille <strong>de</strong> différentes type cations.<br />
Les résultats <strong>de</strong> ces essais ont conclu que lors <strong>de</strong> l’hydratation du cation<br />
compensateur, l’écartement <strong>de</strong>s feuillets d’argiles sera d’autant plus faible que le<br />
rayon ionique hydraté sera petit pour les cations compensateurs <strong>de</strong> même valence.<br />
(Figure. 6.11).<br />
Par ailleurs, les smectites homoioniques contenant <strong>de</strong>s cations divalents dans leur<br />
interfeuillet présentent un potentiel zêta plus faible en valeur absolue que les<br />
échantillons contenant <strong>de</strong>s cations monovalents. Ainsi, <strong>de</strong>s potentiels très faibles en<br />
valeur absolue ont été relevés pour <strong>de</strong>s argiles calciques, suggérant une adsorption<br />
considérable dans <strong>la</strong> couche <strong>de</strong> Stern. De plus, un échange cationique avec un<br />
cation <strong>de</strong> valence plus élevée diminue encore <strong>la</strong> valeur absolue du potentiel zêta; et<br />
peut aller jusqu'à inverser <strong>la</strong> charge (109) cite par [40].<br />
6.3 INFLUENCE DE LA CONCENTRATION DES SELS SUR LE<br />
GONFLEMENT.163<br />
La mobilité change peu avec <strong>la</strong> concentration en cations faiblement chargés,<br />
cependant son signe peut être inversé par <strong>de</strong>s cations fortement adsorbés ou très<br />
chargés (108) cite par [40].<br />
En remp<strong>la</strong>çant <strong>de</strong> l’eau déminéralisée par une solution plus concentrée, on observe<br />
un retrait <strong>de</strong> l’échantillon du fait <strong>de</strong> <strong>la</strong> différence <strong>de</strong> concentration entre <strong>la</strong> solution<br />
externe et l’eau <strong>de</strong>s pores.<br />
Pour différents sels et différentes concentrations, nous pouvant ainsi c<strong>la</strong>sser à<br />
priori l'efficacité <strong>de</strong>s traitements par ordre croissant ; c à d:<br />
(0,05 M) < + (0,05 M) < (0,5 M)
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Nous avons observé une légère diminution du gonflement pour une concentration<br />
<strong>de</strong> 0,05 M par apport à <strong>la</strong> solution initiale quelle que soit <strong>la</strong> solution saline.<br />
(Fig.6.13).<br />
Figure 6.12 : Variation <strong>de</strong> gonflement en<br />
fonction du temps en présence <strong>de</strong> l’eau<br />
distillé et par une solution saline du Nacl <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> concentration <strong>de</strong> 0,05 mole/l pour l’argile<br />
compacter <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Figure 6.13 : Variation <strong>de</strong><br />
gonflement en fonction du temps en<br />
présence <strong>de</strong> l’eau distillé et par une<br />
solution saline du Nacl <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
concentration <strong>de</strong> 0,05 mole/l pour<br />
l’argile remaniée <strong>de</strong> Mansourah.<br />
Pour une concentration <strong>de</strong> 0,5 M le pourcentage <strong>de</strong> <strong>la</strong> réduction du gonflement est<br />
i<strong>de</strong>ntique quelle que soit <strong>la</strong> solution saline. (Figure 8.12).<br />
Figure 6.14:Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence <strong>de</strong><br />
l’eau distillé et par déffirentes solutions salines <strong>de</strong> une seul concentration <strong>de</strong> 0,5<br />
163
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
mole/l pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia.<br />
Cependant, une concentration <strong>de</strong> 2 mole/l quelle- que soit <strong>la</strong> solution saline-<br />
conduit à <strong>de</strong>s réductions importantes du gonflement et donne un temps <strong>de</strong><br />
<strong>stabilisation</strong> court. Les tendances <strong>de</strong> l’allure <strong>de</strong> différentes courbes sont i<strong>de</strong>ntiques<br />
(voir Figure 6.14). Cependant, on note aussi, <strong>de</strong> façon plus surprenante qu'avec<br />
<strong>de</strong>ux type d'argiles que nous avons utilisés, le chlorure <strong>de</strong> calcium conduit à <strong>de</strong>s<br />
réductions importantes du gonflement.<br />
Figure 6.15 : Variation <strong>de</strong> gonflement en fonction du temps en présence <strong>de</strong><br />
l’eau distillé et par déffirentes solutions salines <strong>de</strong> une seul concentration <strong>de</strong> 2<br />
mole/l pour l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia.<br />
6.4. SYNTHESE DES RESULTATS<br />
La comparaison entre les différents sels sur l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia et <strong>de</strong><br />
Mansourah Il est très difficile <strong>de</strong> tire une conclusion globale <strong>de</strong> l’action <strong>de</strong>s différents<br />
sels, car si l’on constate bien en général un effet positifs sur <strong>la</strong> réduction du<br />
gonflement cet effet varie fortement d’une argile à l’autre.<br />
La dispersion <strong>de</strong>s résultats est en partie due à l’hétérogénéité <strong>de</strong>s matériau<br />
étudies du fait que les mesures <strong>de</strong> gonflement se font toutes sur <strong>de</strong>s échantillons<br />
différents. Cette étu<strong>de</strong> est <strong>de</strong>stinée que seulement l’argile compacter <strong>de</strong> Maghnia qui<br />
présente un taux <strong>de</strong> gonflement très élevé.<br />
Le contrôle <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en initiale pour les argiles intactes et du poids volumique<br />
humi<strong>de</strong> est très délicat, il fail<strong>la</strong>it à vérifier avant le commencement <strong>de</strong> chaque essai<br />
<strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong>, en effet au début nous avons perdu cinq essais.<br />
ces résultats sont accordés que nous avons vu dans <strong>la</strong> théorique selon l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
valence est probablement le facteur déterminant dans <strong>la</strong> capacité d’échange ou <strong>de</strong><br />
remp<strong>la</strong>cement <strong>de</strong>s cations plus élevé qui peuvent remp<strong>la</strong>cer facilement les cations<br />
164
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
<strong>de</strong> valeurs plus faibles. Dans le cas <strong>de</strong>s ions <strong>de</strong> même valence, <strong>la</strong> taille <strong>de</strong> l’ion<br />
hydraté revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité <strong>de</strong><br />
remp<strong>la</strong>cement est gran<strong>de</strong> par contre ces résultats sont n’est pas accordés que nous<br />
avons vu dans <strong>la</strong> théorique.<br />
6.5. ACTION DES SELS SUR LA PRESSION DE GONFLEMENT<br />
Pour étudier l’effet <strong>de</strong>s sels sur <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflements <strong>de</strong>s sols considérés,<br />
les échantillons ont été saturés dans une celle œnométrique par <strong>de</strong>s solutions<br />
salines à différentes concentrations. Cette pression a été mesurée selon <strong>la</strong> norme<br />
ASTM (métho<strong>de</strong> A).<br />
La réduction <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement exprimée en pourcentage est <strong>la</strong><br />
différence entre <strong>la</strong> pression à l’eau et avec les solutions salines, rapportée à <strong>la</strong><br />
pression <strong>de</strong> gonflement en présence d'eau.<br />
Δ<br />
P<br />
La réduction <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement est donnée par <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion :<br />
P<br />
( % ) − P ( % )<br />
P ( % )<br />
P eau<br />
sel<br />
=<br />
eau<br />
(6.6)<br />
D’après les résultats <strong>de</strong>s courbes <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> (A) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme<br />
ASTM nous avons constaté que les pressions <strong>de</strong> gonflements mesurées sur les<br />
échantillons saturés aux différents sels à différentes concentrations salines sont<br />
presque i<strong>de</strong>ntiques à celles saturées à l’eau. Les résultas <strong>de</strong>s différents essais sont<br />
regroupés dans le tableau (6.8).<br />
La pression <strong>de</strong> gonflement gs n’est donc pas une gran<strong>de</strong>ur intrinsèque au<br />
matériau mais dépend fortement du chemin <strong>de</strong> chargement. (Choix <strong>de</strong> <strong>la</strong> procédure).<br />
Les problèmes <strong>de</strong> mesure, dus notamment aux frottements parasites survenant à<br />
l’intérieur <strong>de</strong>s œdomètres lors d’essais à gonflement libre.<br />
Le contrôle du dispositif (bâti œdomètrique), et surtout le compteur cause les<br />
erreurs <strong>de</strong> l’opérateur.<br />
165
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.16 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Kcl par différentes<br />
concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
166
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.17: Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du NH4CL par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
167
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.18 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Nacl par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
168
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.19 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
169
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.20 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Mgcl2 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
170
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.21 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Alcl3 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Maghnia.<br />
171
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
172
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.22: Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong>( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Cacl2 par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah.<br />
173
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Figure 6.23 : Courbes oedométrique <strong>de</strong> gonflement selon <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> ( A ) <strong>de</strong> <strong>la</strong> norme ASTM-D-4546 en présence du Nacl par<br />
différentes concentrations salines pour l’argile <strong>de</strong> Mansourah.<br />
174
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
Tableau 6.8 : Pression <strong>de</strong> gonflement et variation re<strong>la</strong>tives <strong>de</strong>s pressions <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> différences solutions salines à<br />
plusieurs concentrations.<br />
175
Chapitre 08 Stabilisation du gonflement par les sels.<br />
7. CONCLUSION<br />
D’après les conséquences <strong>de</strong>s sols expansifs, Plusieurs chercheurs ont étudie <strong>la</strong><br />
<strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols expansifs. Le gonflement <strong>de</strong>s sols argileux est un phénomène<br />
très complexe qui fait intervenir <strong>de</strong>s grands nombreux procédés <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> sont<br />
disponibles. Mais <strong>la</strong> technique <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> par les sels est récemment utilisée.<br />
Il faut signaler que l’étu<strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts est é<strong>la</strong>borée<br />
principalement à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’appareil oedométrique, ceci pour <strong>de</strong>ux raisons<br />
essentielles : <strong>la</strong> première est que l’état qui règne dans le moule oedométrique est<br />
proche <strong>de</strong> l’état du sol in situ, <strong>la</strong> secon<strong>de</strong> est sa gran<strong>de</strong> diffusion.<br />
a pression <strong>de</strong> gonflement gs n’est donc pas une gran<strong>de</strong>ur intrinsèque au matériau<br />
mais dépend fortement du chemin <strong>de</strong> chargement.<br />
Les problèmes <strong>de</strong> mesure, dus notamment aux frottements parasites survenant à<br />
l’intérieur <strong>de</strong>s œdomètres lors d’essais à gonflement libre.<br />
176
Conclusion générale<br />
CONCLUSION GENERALE<br />
Ce sont les conséquences néfastes du gonflement <strong>de</strong>s sols sur les ouvrages en<br />
surfaces et en souterrains qui ont incité les recherches et les ingénieurs à penser à<br />
<strong>de</strong>s remè<strong>de</strong>s et <strong>de</strong>s solutions aux causes <strong>de</strong>s dégâts engendrés par ce phénomène.<br />
Cette étu<strong>de</strong> s’inscrit dans le cadre <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux argiles gonf<strong>la</strong>nts <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen (Mansourah, Maghnia), mise en contact avec <strong>de</strong>s solutions<br />
aqueuses. L’intérêt a été particulièrement porté pour objectifs :<br />
• Mesure les amplitu<strong>de</strong>s et les pressions du gonflement d’une région.<br />
• Trouver <strong>de</strong>s solutions pratiques <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> du phénomène du gonflement.<br />
• En première lieu, une étu<strong>de</strong> bibliographique réalisée dans ce mémoire a mis en<br />
relief l’importance et les conséquences du gonflement sur <strong>la</strong> stabilité et le<br />
comportement <strong>de</strong>s ouvrages creusés dans les matériaux argileux. Il a<br />
également permis <strong>de</strong> mettre en évi<strong>de</strong>nce <strong>de</strong> <strong>la</strong> complexité <strong>de</strong> ce phénomène<br />
surtout a l’échelle microscopique en raison <strong>de</strong>s nombreux mécanismes<br />
impliques (adsorption, osmose, capil<strong>la</strong>rité).ces mécanisme ont été décrit et<br />
présentés d’un point <strong>de</strong> vue théorique et les approches <strong>de</strong> modélisation.<br />
• Toute <strong>la</strong> difficulté résidée dans <strong>la</strong> définition <strong>de</strong>s paramètres sensés présentée le<br />
phénomène du gonflement et par <strong>la</strong> suite caractériser les sols gonf<strong>la</strong>nts. Il est<br />
note que l influence <strong>de</strong> l’état initiale du sol est très importante sur le gonflement,<br />
<strong>de</strong> ce fait les paramètres obtenus dépen<strong>de</strong>nt essentiellement <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité<br />
sèche, <strong>la</strong> teneur en eau initiale et d’autres paramètres extérieurs tel que l effet<br />
cyclique (humidification /<strong>de</strong>ssiccation).<br />
• Par ailleurs, une étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique du gonflement présenté par quelques<br />
résultats a trouvé par divers chercheurs. D après les observations et les suivi<br />
tentativement l’évolution du gonflement en fonction du temps, nous avons<br />
remarqué selon <strong>la</strong> forme <strong>de</strong>s courbes trois phases principales (inter vi<strong>de</strong>,<br />
primaire et secondaire).<br />
• Aussi nous avons pu déterminer grâce à une régression linéaire les <strong>de</strong>ux<br />
paramètres caractérisant <strong>la</strong> cinétique du gonflement à partir <strong>de</strong> l’expression <strong>de</strong><br />
Voysana<strong>de</strong>. Cette approche est intéressante dans le sens ou elle nous permit<br />
<strong>de</strong> définir l’amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement finale et son <strong>de</strong>mi temps <strong>de</strong> gonflement.<br />
• La <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux a été étudie par un grand nombre <strong>de</strong>s<br />
chercher. Beaucoup <strong>de</strong>s métho<strong>de</strong>s et d’appareil<strong>la</strong>ges ont été mis au point, pour<br />
avoir <strong>de</strong>s solutions qui minimisent le phénomène <strong>de</strong> gonflement.<br />
177
Conclusion générale<br />
Pour reconnaître et i<strong>de</strong>ntifier un sol argileux plusieurs étu<strong>de</strong>s doivent être faites,<br />
une étu<strong>de</strong> géotechnique et <strong>chimique</strong> pour déterminer les paramètre physiques suivie<br />
<strong>de</strong> mesures directes <strong>de</strong> paramètres mécanique (amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement et pression<br />
<strong>de</strong> gonflement) basée sur <strong>de</strong>s métho<strong>de</strong>s oedométriques.<br />
L’étu<strong>de</strong> expérimentale a consisté tout d’abord à <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong>s paramètres<br />
géotechniques et mécaniques <strong>de</strong>s sols provenant <strong>de</strong>s, ensuite une étu<strong>de</strong> Sites<br />
Mansourat et Maghnia <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen<br />
Enfin une étu<strong>de</strong> qui porte sur l’effet <strong>de</strong> différents sels à différentes concentrations<br />
sur les paramètres mécaniques, afin d’en déduire une métho<strong>de</strong> pratique <strong>de</strong><br />
<strong>stabilisation</strong> du gonflement et <strong>de</strong> sa pression.<br />
Sur <strong>la</strong> base <strong>de</strong>s résultats obtenus sur nos argiles et à <strong>la</strong> lumière <strong>de</strong>s<br />
interprétations <strong>de</strong> ces résultats, plusieurs conclusions ont été faites :<br />
• La <strong>de</strong>nsité sèche affecte sensiblement le gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement, tant que <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche augmente le gonflement et sa pression<br />
augmentent ceci est expliqué par le faite que le matériau le plus <strong>de</strong>nse exhibera<br />
un gonflement et une pression <strong>de</strong> gonflement plus grands car il contient un<br />
nombre supérieur <strong>de</strong> particules argileuses.<br />
• Le gonflement est inversement proportionnelle à <strong>la</strong> teneur en eau initiale, quand<br />
celle ci augmente, le gonflement diminue, à partir <strong>de</strong> ces seuls essais il est<br />
difficile <strong>de</strong> trouver une loi <strong>de</strong> variation du gonflement, cependant il a été<br />
possible <strong>de</strong> déterminer une teneur en eau critique qui donnerait un gonflement<br />
apparent nul.<br />
• L’action <strong>de</strong>s diverses solutions salines sur le gonflement nous a conduit à<br />
retenir les conclusions suivantes:<br />
• Influence <strong>de</strong>s solutions salines et leurs concentrations, leur valences et tailles<br />
sur l’amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement a effet très prononcé. Mais l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence<br />
est probablement le facteur déterminant dans <strong>la</strong> capacité d’échange ou <strong>de</strong><br />
remp<strong>la</strong>cement <strong>de</strong>s cations plus élevé peuvent remp<strong>la</strong>cer facilement les cations<br />
<strong>de</strong> valeurs plus faibles. Dans le cas <strong>de</strong>s ions <strong>de</strong> même valence, <strong>la</strong> taille <strong>de</strong> l’ion<br />
hydraté revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité<br />
<strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement est gran<strong>de</strong>. Mais nous avons trouvé le contraire pour le<br />
chlorure d’Aluminium. Ceci n’a pas donné une réduction du gonflement, mais<br />
sauf dans le cas ou <strong>la</strong> concentration est forte<br />
• Le chlorure <strong>de</strong> calcium et le chlorure <strong>de</strong> Magnésium sont plus efficaces à fortes<br />
ou fortes concentrations<br />
• Le chlorure <strong>de</strong> potassium réduit le gonflement <strong>de</strong>s sols étudiés grâce à <strong>la</strong><br />
fixation <strong>de</strong> ces cations entre les feuillets, le gonflement diminue et sa vitesse est<br />
rapi<strong>de</strong> même à faibles concentrations.<br />
178
Conclusion générale<br />
• Le chlorure <strong>de</strong> sodium réduit lui aussi le gonflement mais à un <strong>de</strong>gré faible, ne il<br />
à surtout l’avantage d’être le moins coûteux.<br />
• Le chlorure d’ammonium est moyennement réduit <strong>la</strong> gonflement ou <strong>la</strong><br />
concentration est forte.<br />
• L’effet <strong>de</strong>s solutions salines et leurs concentrations sur <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement n’a rien révélé, cependant il serait préférable d’étudier leurs effet en<br />
utilisant d’autres métho<strong>de</strong>s pour pouvoir c<strong>la</strong>sser ces solutions suivant leurs<br />
<strong>de</strong>gré d’inhibition.<br />
L’application <strong>de</strong> <strong>la</strong> technique <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts par les sels à <strong>de</strong>s<br />
ouvrages réels doit être envisagé notamment dans le cas où les essais au<br />
<strong>la</strong>boratoire ne mettent pas en évi<strong>de</strong>nce <strong>de</strong> façon c<strong>la</strong>ire l’obtention d’un équilibre, il<br />
n’est pas impossible alors que le gonflement <strong>de</strong>s matériaux traités puisse rejoindre<br />
celui <strong>de</strong>s matériaux non traités.<br />
Il ressort néanmoins <strong>de</strong>s essais réalisés qu’il est indispensable d’effectuer une<br />
étu<strong>de</strong> spécifique détaillée si possible dans les conditions du sites avant chaque cas<br />
<strong>de</strong> traitement envisagé afin <strong>de</strong> définir <strong>la</strong> nature et <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong>s solutions<br />
salines à utiliser sur un site.<br />
Par ailleurs <strong>la</strong> possibilité <strong>de</strong> lixivation <strong>de</strong>s sels à long termes par les eaux <strong>de</strong> pluie<br />
ne peut être écarté pour ce<strong>la</strong> il est conseillé d’étudier le phénomène<br />
d’irréversibilité en analysant les échantillons stabilisés et mis au contact <strong>de</strong> l’eau au<br />
microscope à ba<strong>la</strong>yage électronique M.E.B ; l’utilisation <strong>de</strong> surfactants permet<br />
également un traitement efficace <strong>de</strong>s sols argileux [10].<br />
Recommandations :<br />
Les recherches doivent se poursuivre notamment :<br />
• L’établissement d’un appareil<strong>la</strong>ge pour mesurer <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement,<br />
notamment un appareil<strong>la</strong>ge qui permet le contrôle <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression interstitielle et<br />
le <strong>de</strong>gré <strong>de</strong> saturation <strong>de</strong> l’échantillon au cours <strong>de</strong> l’essai.<br />
• L’établissement <strong>de</strong>s modèles <strong>de</strong> prédiction <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement pour<br />
les argiles <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen.<br />
• La réalisation <strong>de</strong>s mesures sur le site, sur plusieurs années, afin <strong>de</strong> vérifier les<br />
modèles.<br />
• L’établissement d’un co<strong>de</strong> réglementaire pour <strong>la</strong> conception <strong>de</strong>s fondations <strong>de</strong><br />
sols gonf<strong>la</strong>nts.<br />
• L’établissement d’une carte <strong>de</strong> localisation <strong>de</strong>s régions Algériennes<br />
susceptibles d’être affectées par les dommages résultant <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts.<br />
179
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Lexique :<br />
ANNEXE A<br />
Ce lexique a été é<strong>la</strong>boré à partir du grand dictionnaire terminologique, disponible sur<br />
internet à l'adresse suivante :<br />
http://www.granddictionnaire.com/_fs_global_01.htm<br />
Bentonite :<br />
1/ Actuellement, argiles dont le constituant principal est un minéral <strong>de</strong> <strong>la</strong> famille <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
montmorillonite.<br />
2/ Argile colloïdale du type Montmorillonite dont les particules constitutives sont<br />
suffisamment fines pour n'apparaître qu'au microscope électronique; leur dimension est<br />
en effet <strong>de</strong> l'ordre du dixième <strong>de</strong> micron.<br />
3/ Argile ayant <strong>la</strong> propriété <strong>de</strong> se disperser finement sous forme <strong>de</strong> suspension<br />
colloïdale dans l'eau et <strong>de</strong> ce fait utilisée pour <strong>la</strong> préparation <strong>de</strong>s boues <strong>de</strong> forage.<br />
4/ Argiles colloïdales surtout formées <strong>de</strong> montmorillonite. Elles peuvent contenir <strong>de</strong>s<br />
alcalis, <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux, <strong>de</strong> <strong>la</strong> magnésie, du fer, <strong>de</strong> l'alumine en faible proportion. Ce sont<br />
<strong>de</strong>s minéraux phylliteux (découverts en 1888 à Fort Benton aux USA), formés par <strong>la</strong><br />
superposition <strong>de</strong> 2 ou 3 feuillets <strong>de</strong> 10 Angströms d'épaisseur. Ces bentonites<br />
présentent <strong>la</strong> propriété remarquable d'absorber <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s quantités d'eau et <strong>de</strong><br />
gonfler, car les molécules d'eau peuvent se p<strong>la</strong>cer entre les feuillets dont les<br />
espacements passent <strong>de</strong> 10 à 20 Angströms (gonflement inter-cristallin).<br />
Hectorite : Minéral argileux, équivalent magnésien <strong>de</strong> <strong>la</strong> montmorillonite<br />
Isomorphe: (ANGLAIS : isomorph, isomorphic)<br />
Se dit <strong>de</strong> minéraux ayant <strong>la</strong> même structure cristalline, mais ayant <strong>de</strong>s compositions<br />
<strong>chimique</strong>s différentes (voisines cependant).<br />
Montmorillonite : (ANGLAIS : montmorillonite)<br />
Groupe <strong>de</strong> minéraux argileux (silicates d'Al) dont les cristaux ont une structure<br />
réticu<strong>la</strong>ire 2/1, extensible, (une couche octaédrique <strong>de</strong> Al2O3 entre <strong>de</strong>ux couches<br />
tétraédriques <strong>de</strong> SiO2), et une forte capacité d'échange <strong>de</strong> cations.<br />
Un <strong>de</strong>s alumino-silicates du groupe <strong>de</strong> <strong>la</strong> smectite.<br />
L'un <strong>de</strong>s constituants principaux <strong>de</strong>s argiles, caractérisé par une aptitu<strong>de</strong> particulière au<br />
gonflement, due à sa structure cristalline qui permet à <strong>de</strong>s molécules d'eau <strong>de</strong> s'insérer<br />
entre les feuillets.<br />
Note(s) : Ce type d'argile se rétracte et se gonfle considérablement avec les<br />
changements d'humidité<br />
D'autres minéraux argileux, <strong>de</strong> même structure réticu<strong>la</strong>ire 2/1, extensible, appartenant<br />
au même groupe, sont <strong>la</strong> nontronite, <strong>la</strong> bei<strong>de</strong>llite et <strong>la</strong> saponite; <strong>la</strong> terre à foulon est un<br />
type non p<strong>la</strong>stique.<br />
Très onctueuse au toucher, elle provient <strong>de</strong> l'altération continentale <strong>de</strong> roches éruptives<br />
basiques.<br />
Mica : Groupe <strong>de</strong> silicates <strong>de</strong> compositions variables mais désignant aussi <strong>la</strong><br />
muscovite (H,K)AlSiO4, en cristaux monocliniques, très facilement clivables, sectiles et<br />
incurvables.
ANNEXE 0B : Procédures d’essais normalisées<br />
A.1 - ASTM D4546 (American Society for Testing and Materials, 1985)<br />
L’American Society for Testing and Materials (ASTM, 1985) préconise trois procédures<br />
d’essais à l’oedomètre (figure A.1) :<br />
Métho<strong>de</strong> I :<br />
Boucle <strong>de</strong> chargement, déchargement, rechargement (chemins 1, 2 et 3) puis imbibition<br />
et gonflement libre sous le poids du piston jusqu’à ce que le mouvement du piston<br />
<strong>de</strong>vienne négligeable (chemins 3 et 4). Dans un <strong>de</strong>rnier temps, on procè<strong>de</strong> à un<br />
chargement par paliers pour ramener l’éprouvette à sa hauteur initiale (chemins 4 et 5) ;<br />
Métho<strong>de</strong> II :<br />
Gonflement sous une charge constante égale à <strong>la</strong> contrainte verticale en p<strong>la</strong>ce jusqu’à<br />
ce que le mouvement du piston <strong>de</strong>vienne négligeable (chemins 2 et 3), puis chargement<br />
par paliers pour ramener l’éprouvette à sa hauteur initiale (chemins 3 et 5).<br />
Métho<strong>de</strong> III :<br />
Gonflement à volume constant à partir du poids <strong>de</strong>s terres (chemins 2 et 3). L’essai est<br />
poursuivi par un essai oedométrique conventionnel avec boucles <strong>de</strong> chargementdéchargement,<br />
afin d’évaluer le potentiel <strong>de</strong> gonflement.<br />
Dans les métho<strong>de</strong>s II et III, l’éprouvette est préa<strong>la</strong>blement chargée dans son état naturel<br />
sous le poids <strong>de</strong>s terres. Dans <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> I, un cycle <strong>de</strong> chargement-déchargement<br />
peut être appliqué, avant imbibition. Ces procédures sont accompagnées <strong>de</strong><br />
recommandations pour le stockage et <strong>la</strong> préparation <strong>de</strong>s échantillons. Les paramètres<br />
mesurés sont indiqués à titre indicatif sur <strong>la</strong> figure A.1.
Figure A.1 : Procédures d’essais <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> ASTM D4546 (1985)<br />
A.2 - DIDIER et al. (1987)<br />
Ces auteurs proposent plusieurs procédures opératoires. L’utilisation d’une loi<br />
hyperbolique est suggérée pour déterminer <strong>la</strong> durée du palier d’imbibition et <strong>de</strong>s paliers<br />
suivants. L’éprouvette est chargée à partir du poids du piston σ d jusqu’au poids <strong>de</strong>s<br />
terres σ và à sa teneur en eau naturelle, puis on procè<strong>de</strong> à un cycle et <strong>de</strong>mi <strong>de</strong><br />
chargement-déchargement-rechargement. A partir <strong>de</strong> l’état caractérisé par l’indice <strong>de</strong>s<br />
vi<strong>de</strong>s e0 obtenu sousσ và l’essai peut être prolongé par l’une <strong>de</strong>s trois procédures<br />
suivantes. (figure A.2)<br />
A.2.a - Description <strong>de</strong>s procédures d’essais
Métho<strong>de</strong> 1 :<br />
L’essai avec saturation à volume constant du sol sous poids <strong>de</strong>s terres (e=eo), est<br />
<strong>de</strong>stiné en premier lieu à déterminer <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement du sol et à apprécier sa<br />
capacité <strong>de</strong> gonflement par une série <strong>de</strong> déchargements ultérieurs. La tolérance<br />
4<br />
proposée sur les variations autorisées <strong>de</strong> volume <strong>de</strong> l’éprouvette est 10 − ΔV<br />
< dans le<br />
V<br />
cas <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> longue durée.<br />
Métho<strong>de</strong> 2 :<br />
Figure A.2 : Procédures d’essais <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> Didier et al. (1987)<br />
L’essai avec gonflement libre sous poids <strong>de</strong>s terres, est <strong>de</strong>stiné à évaluer l’amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
gonflement, mais permet aussi d’estimer σ và Deux variantes peuvent être envisagées<br />
pour cet essai, suivant que <strong>la</strong> contrainte σ vf induite au sein du terrain par l’état <strong>de</strong>
service <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure est supérieure ou non au poids <strong>de</strong>s terres. Dans les <strong>de</strong>ux cas,<br />
l’échantillon est saturé sous le poids <strong>de</strong>s terres, puis :<br />
- rechargé <strong>de</strong> manière progressive jusqu’à ce qu’il retrouve sa hauteur avant saturation,<br />
pour être ensuite ramené progressivement à <strong>la</strong> précontrainte σ d Cet essai est adapté au<br />
cas où σ vf > σ và<br />
-soit directement ramené à <strong>la</strong> contrainte initiale σ vf < σ và<br />
A.2.b - Détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> durée <strong>de</strong>s paliers <strong>de</strong> gonflement à partir d’une loi<br />
hyperbolique<br />
A.2.b.1 - Suivi d’un palier <strong>de</strong> gonflement<br />
Un <strong>de</strong>s points fondamentaux d’un essai <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> type incrémental est <strong>la</strong> durée<br />
<strong>de</strong>s paliers <strong>de</strong> déchargement ou <strong>de</strong> saturation. A <strong>la</strong> différence <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong><br />
compressibilité, on estimera que dans un essai <strong>de</strong> gonflement uniaxial, on peut passer<br />
au palier suivant lorsque <strong>la</strong> vitesse <strong>de</strong> gonflement est inférieure ou égale à une vitesse<br />
limite, qui peut être, elle aussi, forfaitaire. Cette démarche est d’ailleurs celle adoptée<br />
pour les essais “rapi<strong>de</strong>s” décrits précé<strong>de</strong>mment, le “seuil” retenu étant <strong>de</strong> 1/100 mm par<br />
8 heures dans le cas <strong>de</strong> l’étape <strong>de</strong> saturation pour <strong>de</strong>s échantillons <strong>de</strong> hauteur initiale H0<br />
voisine <strong>de</strong> 20 mm.<br />
Cette <strong>de</strong>rnière procédure nécessitant quelques précautions d’utilisation, il est apparu<br />
judicieux d’utiliser le critère suivant : le palier <strong>de</strong> déchargement (i+1) est amorcée<br />
⎛<br />
lorsque <strong>la</strong> variation du taux <strong>de</strong> gonflement H<br />
⎞<br />
Δε<br />
i = Δ<br />
⎜<br />
⎜Δ<br />
H ⎟ <strong>de</strong> l’échantillon mesurée<br />
⎝<br />
0 ⎠i<br />
pendant le palier i est supérieure ou égale à 95 % <strong>de</strong> <strong>la</strong> variation du taux <strong>de</strong> gonflement<br />
ε que le sol serait susceptible <strong>de</strong> manifester sous cette même contrainte au bout<br />
Δ i,<br />
∞<br />
d’un temps infini.<br />
Cette métho<strong>de</strong> qui présente l’avantage d’être adaptée à <strong>la</strong> variabilité <strong>de</strong>s éprouvettes<br />
étudiées, nécessite, en contrepartie, <strong>la</strong> mise au point d’un outil <strong>de</strong> calcul à <strong>la</strong> fois simple<br />
et représentatif <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique générale du phénomène <strong>de</strong> gonflement. L’utilisation<br />
d’une loi hyperbolique répond à ces <strong>de</strong>ux conditions.<br />
A.2.b.2 - Calcul <strong>de</strong> Δ ε i,<br />
∞ au moyen d’une loi hyperbolique<br />
Dakshanamurthy (1978), Vayssa<strong>de</strong> (1978), Parcevaux (1980) et Didier et al. (1985) ont<br />
montré qu’expérimentalement, <strong>la</strong> cinétique du gonflement, en règle générale, peut être<br />
approchée par une<br />
re<strong>la</strong>tion hyperbolique <strong>de</strong> <strong>la</strong> forme :<br />
( )<br />
Δε i t = Δε<br />
i,<br />
∞<br />
t<br />
B + t
On démontre aisément que Δ ε i,<br />
∞ est égal à l’inverse <strong>de</strong> <strong>la</strong> pente <strong>de</strong> <strong>la</strong> droite <strong>de</strong><br />
régression <strong>de</strong>s<br />
points expérimentaux exprimés dans le diagramme<br />
( ) ⎟ ⎛ t ⎞<br />
⎜ , t complété au fur et à<br />
⎝ Δε<br />
i t ⎠<br />
mesure <strong>de</strong>s lectures par l’opérateur, en parallèle avec le tracé du diagramme<br />
Δ ε t , Logt<br />
( ( ) )<br />
i<br />
A.2.b.3 - Interprétation <strong>de</strong>s données<br />
• Détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe théorique <strong>de</strong> gonflement<br />
L’intérêt <strong>de</strong> <strong>la</strong> mise en œuvre <strong>de</strong> <strong>la</strong> loi hyperbolique dans <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> durée <strong>de</strong><br />
chaque palier <strong>de</strong> déchargement rési<strong>de</strong> dans le fait qu’il est facile, à partir <strong>de</strong> ces calculs,<br />
<strong>de</strong> tracer <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong> gonflement théorique du sol, représentative d’un gonflement à un<br />
temps infini (figurée en pointillé sur <strong>la</strong> figure A.2).<br />
Le taux <strong>de</strong> gonflement infini Δ ε i,<br />
∞ <strong>de</strong> l’éprouvette, sous contrainte σ i sera calculé pour i<br />
croissant à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion :<br />
ε = ε + Δε<br />
Δ i,<br />
∞ i−1<br />
i,<br />
∞<br />
dans <strong>la</strong>quelle ε i−1<br />
est le taux <strong>de</strong> gonflement mesuré <strong>de</strong> l’éprouvette à <strong>la</strong> fin du palier<br />
précé<strong>de</strong>nt, Δ ε i,<br />
∞ ayant été défini précé<strong>de</strong>mment.<br />
Le choix <strong>de</strong> cette équation se justifie par le fait que le phénomène <strong>de</strong> gonflement<br />
correspondant au palier i-1 n’étant pas stabilisé au début du palier i ; <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> Δ ε i,<br />
∞<br />
calculée par <strong>la</strong> loi hyperbolique intègre le cumul <strong>de</strong>s résidus <strong>de</strong> déformation <strong>de</strong>s étapes<br />
précé<strong>de</strong>ntes. Le calcul <strong>de</strong> Δ ε , ∞ par <strong>la</strong> re<strong>la</strong>tion<br />
conduit à surestimer <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> ce taux du gonflement.<br />
i<br />
• Détermination <strong>de</strong>s paramètres <strong>de</strong> gonflement du sol<br />
La pression <strong>de</strong> gonflement σ g est définie par l’abscisse du point G, intersection <strong>de</strong><br />
l’horizontale<br />
(e=e0) et du prolongement <strong>de</strong> <strong>la</strong> partie linéaire <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong> gonflement théorique. On<br />
considérera que <strong>la</strong> pente g C <strong>de</strong> <strong>la</strong> droite théorique constitue une valeur approchée <strong>de</strong><br />
l’indice <strong>de</strong> gonflement du sol, reliant <strong>la</strong> variation du taux <strong>de</strong> gonflement à celle <strong>de</strong><br />
logarithme <strong>de</strong>s contraintes effectives.<br />
A.3 - ISRM (International Society for Rock Mechanics, 1989)<br />
La Société Internationale <strong>de</strong> Mécanique <strong>de</strong>s Roches (ISRM, 1989) donne <strong>de</strong>s<br />
recommandations pour l’échantillonnage, le stockage et <strong>la</strong> préparation <strong>de</strong>s éprouvettes<br />
et propose trois métho<strong>de</strong>s d’essais :
- gonflement libre d’une éprouvette non confinée, immergée dans un bac, avec mesure<br />
<strong>de</strong>s déformations <strong>de</strong> gonflement axiale (à l’ai<strong>de</strong> d’un comparateur) et radiale (à l’ai<strong>de</strong><br />
d’une bague graduée) ;<br />
- gonflement à volume constant pour déterminer une pression maximale <strong>de</strong> gonflement ;<br />
- gonflement sous plusieurs paliers <strong>de</strong> décharge (figure A.3).<br />
Cette <strong>de</strong>rnière procédure basée sur l'essai Hu<strong>de</strong>r-Amberg a pour but <strong>de</strong> mesurer <strong>la</strong><br />
déformation axiale <strong>de</strong> gonflement d’une éprouvette <strong>de</strong> roche p<strong>la</strong>cée dans un oedomètre<br />
et résultant <strong>de</strong> <strong>la</strong> décharge du matériau à partir <strong>de</strong> <strong>la</strong> valeur maximale <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte<br />
(le poids <strong>de</strong>s terres, par exemple) jusqu’à une valeur compatible avec le projet. Elle est<br />
applicable aux cas où les conditions aux limites sont assimi<strong>la</strong>bles aux conditions<br />
oedométriques.<br />
Pour chaque palier <strong>de</strong> déchargement sous imbibition, on distingue <strong>la</strong> part instantanée<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> déformation Δ ε σ directement liée au déchargement et <strong>la</strong> part Δ ε due au<br />
gonflement par adsorption d’eau. Le cumul <strong>de</strong> cette <strong>de</strong>rnière donne <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong><br />
gonflement ∑( Δε ) .<br />
Figure A3 : Procédure d’essais <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> ISRM (1989)<br />
A.4 - ISSMFE (International Society for Soils Mechanics and Foundation<br />
Engineering, 1990)
La Société Internationale <strong>de</strong> Mécanique <strong>de</strong>s Sols et Travaux <strong>de</strong> Fondations (ISSMFE,<br />
1991) propose une métho<strong>de</strong> d’essais basée sur <strong>de</strong>s oedomètres en parallèle (figure<br />
A.4). Plusieurs éprouvettes d’un même sol sont imbibées dans <strong>de</strong>s cellules<br />
oedométriques et sous différentes Déformation axiale (%) charges, ce qui permet <strong>de</strong><br />
déterminer une pression <strong>de</strong> gonflement σ g et un coefficient Cg. La déformation étant<br />
mesurée directement à partir du début du gonflement, <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> donne directement le<br />
potentiel <strong>de</strong> gonflement.<br />
Figure A.4 : Procédure d’essais <strong>de</strong> gonflement ISSMFE (1991)<br />
A.5 - BS 1377 (British Standard, 1990)<br />
Trois métho<strong>de</strong>s d’essais <strong>de</strong> gonflement à l’oedomètre sont préconisées pour les sols<br />
fins :<br />
mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement à volume constant, à partir du poids du piston,<br />
puis déchargement par paliers ou rechargement par paliers sous imbibition, selon une<br />
séquence <strong>de</strong> chargement appropriée ; même séquence <strong>de</strong> gonflement à volume<br />
constant jusqu’à <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement puis déchargement par paliers et sous<br />
imbibition, selon une séquence <strong>de</strong> charges appropriée jusqu’à une charge minimale<br />
prédéfinie et enfin rechargement jusqu’à <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement en suivant <strong>la</strong> même<br />
séquence <strong>de</strong> charges. Cette <strong>de</strong>rnière séquence permet <strong>de</strong> déterminer les paramètres <strong>de</strong><br />
compressibilité et <strong>de</strong> consolidation du sol testé ;<br />
- chargement jusqu’à <strong>la</strong> contrainte và<br />
σ correspondant au poids <strong>de</strong>s terres, puis<br />
imbibition (effondrement ou gonflement) jusqu’à <strong>stabilisation</strong> et poursuite <strong>de</strong> l’essai par<br />
un cycle <strong>de</strong> chargement et <strong>de</strong> déchargement par paliers.
A.6 - Essai <strong>de</strong> gonflement-effondrement pour les sols compactés (Mieussens,<br />
1993)<br />
Une procédure d’essais oedométriques a été développée au Laboratoire Régional <strong>de</strong>s<br />
Ponts et Chaussées (LRPC) <strong>de</strong> Toulouse (Mieussens, 1993) dans le but <strong>de</strong> qualifier les<br />
matériaux compactés. Cette procédure prévoit <strong>de</strong> tester, en une semaine, six<br />
éprouvettes i<strong>de</strong>ntiques au départ.<br />
L’argile est compactée par compactage semi-statique dans les moules oedométriques,<br />
puis les éprouvettes sont chargées sous 25, 50, 100, 200, 400 et 800 kPa <strong>de</strong> contrainte<br />
totale axiale σ a respectivement pendant trois jours. Les éprouvettes sont mises en<br />
présence d’eau pendant quatre jours supplémentaires. L’évolution <strong>de</strong> <strong>la</strong> déformation<br />
axiale ε a est enregistrée au cours du temps.<br />
Suivant <strong>la</strong> nature du matériau testé, son état résultant du compactage et le niveau <strong>de</strong><br />
chargement, cette opération peut provoquer un gonflement ou un effondrement. Une<br />
courbe C1 représentent alors les déformations obtenues au bout <strong>de</strong> trois jours, pour<br />
chacune <strong>de</strong>s six éprouvettes, sous lescharges qui leur sont appliquées tandis qu'une<br />
courbe C2 montre les déformations <strong>de</strong> chacune <strong>de</strong>s éprouvettes, sous ces mêmes<br />
charges, après quatre jours d’imbibition. La comparaison <strong>de</strong> ces <strong>de</strong>ux courbes<br />
renseigne, d’une part, sur <strong>la</strong> compressibilité du sol compacté et, d’autre part, sur sa<br />
sensibilité à l’imbibition.<br />
A.7 - Norme Française NF P 94-091 (AFNOR, 1995)<br />
La procédure <strong>de</strong> cette norme permet <strong>de</strong> déterminer <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement et le<br />
potentiel <strong>de</strong> gonflement d’un sol en présence d’eau sous différentes charges. L’essai<br />
s’effectue à l’oedomètre sur plusieurs éprouvettes i<strong>de</strong>ntiques (essais en parallèle). La<br />
norme précise les conditions d’essai, le choix <strong>de</strong>s charges à appliquer aux éprouvettes<br />
et <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> d’exploitation <strong>de</strong>s résultats. La procédure s’attache essentiellement à <strong>la</strong><br />
détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement et du potentiel <strong>de</strong> gonflement (part <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
déformation due à l’imbibition).
ANNEXE C : Matériels utilisés pour les essais<br />
<strong>de</strong>s gonflements<br />
B.1. Description <strong>de</strong> l’appareil<strong>la</strong>ge œdométrique<br />
Le plus ancien <strong>de</strong> ces appareils est celui <strong>de</strong> Palit (figure B.1). Il permet le rég<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
hauteur verticale <strong>de</strong> l’échantillon, au moyen d’une vis, <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> confinement étant<br />
déterminée par lecture sur l’anneau dynamométrique. Cette technique a été reprise par<br />
<strong>la</strong> majorité <strong>de</strong>s autres cellules <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement expérimentées <strong>de</strong>puis,<br />
moyennant quelques améliorations.<br />
Figure C.1 : Appareil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> Palit (1953)<br />
La flexibilité <strong>de</strong> l’anneau dynamométrique <strong>de</strong> l’appareil <strong>de</strong> Palit a, dans un premier<br />
temps, été très contestée et décrite comme <strong>la</strong> cause d’erreurs dans <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement Agarwal et al., 1973 ; Didier, 1973). De fait, il est prouvé que<br />
le moindre dép<strong>la</strong>cement autorisé réduit fortement <strong>la</strong> contrainte exercée. Pour remédier à<br />
ce<strong>la</strong>, plusieurs améliorations ont été apportées au dispositif œdométrique. Elles<br />
consistent soit à automatiser <strong>la</strong> remise sous contrainte <strong>de</strong>s échantillons dès l’apparition<br />
du moindre dép<strong>la</strong>cement axial (Agarwal et al., 1973), soit à rigidifier l’ensemble <strong>de</strong><br />
l’appareil<strong>la</strong>ge (Didier, 1973).<br />
La presse asservie d’Agarwall et al. (figure B.2) permet un contrôle en dép<strong>la</strong>cement très<br />
fin. Une<br />
remise en charge <strong>de</strong> l’échantillon a lieu dès que le dép<strong>la</strong>cement axial est supérieur à<br />
1/12 <strong>de</strong> mm,
c’est à dire que <strong>la</strong> variation du volume atteint <strong>la</strong> valeur<br />
Figure C.2 : Appareil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement<br />
Didier (1973), pour sa part, préfère confiner l’échantillon dans une cavité rigi<strong>de</strong> (figure<br />
B.3.a), <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement étant déduite <strong>de</strong> <strong>la</strong> mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> déflexion d’une<br />
p<strong>la</strong>que d’acier préétalonnée. Cette cellule rigi<strong>de</strong> permet une précision sur le volume <strong>de</strong><br />
l’ordre <strong>de</strong><br />
Il décrit aussi une autre cellule basée sur le principe oedométrique (figure B.3.b), qui<br />
permet <strong>de</strong> suivre <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement exercée à volume constant en fonction <strong>de</strong><br />
l’état <strong>de</strong> succion <strong>de</strong> l’échantillon. Cet appareil permet <strong>de</strong> bloquer totalement le piston<br />
durant <strong>la</strong> saturation et donc d’obtenir <strong>la</strong> valeur <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement pour un<br />
volume rigoureusement constant. Il permet par ailleurs d’effectuer aussi <strong>de</strong>s essais à<br />
donné.
Figure C.3 : Cellule <strong>de</strong> mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement <strong>de</strong> Didier<br />
B.2. Autres types d’appareil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> <strong>la</strong>boratoire<br />
L’appareil<strong>la</strong>ge spécifique à <strong>la</strong> mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement est <strong>la</strong>rgement<br />
répandu. Par contre, cet œdomètre c<strong>la</strong>ssique n’offre qu’une déformation<br />
unidimensionnelle et le chemin <strong>de</strong>s contraintes suivi pendant l’essai reste inconnu. Une<br />
amélioration <strong>de</strong>s essais a consisté à employer <strong>de</strong>s œdomètres équipés <strong>de</strong> bagues <strong>de</strong><br />
mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression radiale pendant le gonflement Komornik et Zeitlen, 1965,<br />
1970 ; Ofer, 1981 ; Erol et Ergun, 1994) ; cet œdomètre modifié est appelé œdomètre<br />
K0 (figure B.4). Dans ce cas, <strong>la</strong> rigidité <strong>de</strong> <strong>la</strong> bague doit être rigoureusement assurée<br />
pour éviter toute déformation <strong>la</strong>térale.<br />
Figure C.4 :Cellule œdométrique modifiée (Komornik et Zeitlen, 1965)
L’étu<strong>de</strong> expérimentale du gonflement en <strong>la</strong>boratoire s’effectue aussi avec le contrôle <strong>de</strong><br />
succion (Schreiner et al., 1994) ou <strong>de</strong> <strong>la</strong> contrainte <strong>la</strong>térale et <strong>de</strong> <strong>la</strong> succion (Schreiner et<br />
al., 1994).<br />
L’appareil<strong>la</strong>ge triaxial offre quant à lui <strong>la</strong> possibilité <strong>de</strong> maîtriser <strong>la</strong> sollicitation en<br />
déformation ou en<br />
contrainte. Des étu<strong>de</strong>s expérimentales du gonflement ont été réalisées à l’ai<strong>de</strong><br />
d’appareil<strong>la</strong>ges triaxiaux traditionnels (Parcher et Liu, 1965 ; Kassif et Baker, 1969 ; El<br />
Gamali et al., 1991) ou asservis (Fourie, 1989 ; Yesil et al., 1993) (figure B.5.).<br />
Figure C.5 : Appareil<strong>la</strong>ge triaxial pour <strong>de</strong>s essais <strong>de</strong> gonflement (Yesil, 1993)<br />
B.3. Mesure <strong>de</strong> <strong>la</strong> succion<br />
Pour l'étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s sols non saturés, on soulignera tout <strong>de</strong> même l'essai au papier filtre<br />
(Chandler et al.,1986) basé sur l'hypothèse, qu'à l'équilibre, le potentiel <strong>de</strong> l'eau d'un<br />
échantillon <strong>de</strong> sol et le potentiel <strong>de</strong> l'eau d'un papier filtre en contact avec l'échantillon<br />
sont les mêmes. L'essai consiste donc à p<strong>la</strong>cer un échantillon <strong>de</strong> sol en contact avec un<br />
papier filtre dont on connaît <strong>la</strong> courbe <strong>de</strong> rétention. Le apier filtre peut être p<strong>la</strong>cé dans le<br />
sol à l'état sec ou humi<strong>de</strong>. Généralement, trois couches <strong>de</strong> papier filtre sont<br />
superposées et <strong>la</strong> mesure est effectuée sur <strong>la</strong> couche interne. A l'équilibre, moyennant<br />
l'hypothèse citée précé<strong>de</strong>mment, <strong>la</strong> succion du sol est évaluée par <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> teneur en eau du papier filtre et l'utilisation <strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe adéquate (Chandler et al.,<br />
1986). On obtient ainsi <strong>la</strong> succion du sol dans son état <strong>de</strong> référence.
B.4. Cas <strong>de</strong>s essais in situ<br />
Hors du cadre <strong>de</strong>s essais en <strong>la</strong>boratoire, il faut signaler les appareil<strong>la</strong>ges basés sur<br />
l’utilisation d’une son<strong>de</strong> pressiométrique, tels que ceux proposés par Ofer (1984) et<br />
F<strong>la</strong>vigny (1991) pour <strong>la</strong> réalisation d’essais <strong>de</strong> gonflement in situ.<br />
L’appareil<strong>la</strong>ge utilisé par Ofer (1984) est un cylindre muni <strong>de</strong> jauges <strong>de</strong> contraintes<br />
<strong>la</strong>térales, permettant <strong>de</strong> mesurer <strong>la</strong> contrainte horizontale agissant sur son pourtour. Il<br />
s’agit en quelque sorte d’un œdomètre “inversé” avec une mesure du coefficient K0 .<br />
Deux anneaux circu<strong>la</strong>ires p<strong>la</strong>cés au <strong>de</strong>ssus et au <strong>de</strong>ssous <strong>de</strong> <strong>la</strong> partie sensible<br />
permettent d’humidifier le sol autour <strong>de</strong> <strong>la</strong> son<strong>de</strong>.<br />
L’appareil<strong>la</strong>ge est enfoncé dans un trou <strong>de</strong> forage. Il est complété par <strong>de</strong>s <strong>la</strong>mes <strong>de</strong><br />
scissomètre afin <strong>de</strong> mesurer <strong>la</strong> cohésion non-drainée du terrain. La figure B.5. donne<br />
une vue en coupe <strong>de</strong> cette son<strong>de</strong>. A l’origine, <strong>la</strong> cellule était foncée dans un forge d’un<br />
diamètre légèrement inférieur. Les auteurs ont développé, par <strong>la</strong> suite, une son<strong>de</strong> mise<br />
en p<strong>la</strong>ce par autoforage.<br />
Figure C.6 : Appareil <strong>de</strong> Ofer (1984) et exemple <strong>de</strong> résultat<br />
F<strong>la</strong>vigny et al. (1991) ont développé un dispositif pressiométrique dit “Expansol”, conçu<br />
pour opérer à faible profon<strong>de</strong>ur dans <strong>de</strong>s conditions habituelles d’essais. Il s’agit <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>ux son<strong>de</strong>s pressiométriques superposées reliées chacune à un système <strong>de</strong> mise en<br />
pression (<strong>de</strong> type générateur <strong>de</strong> pression asservi) entre lesquelles se trouve un<br />
dispositif d’humidification. La son<strong>de</strong> supérieure est dévolue aux essais pressiométriques<br />
normaux tandis que <strong>la</strong> son<strong>de</strong> inférieure permet <strong>de</strong> réaliser <strong>de</strong>ux types d’essais pendant<br />
l’humidification :<br />
- soit un essai <strong>de</strong> gonflement libre en asservissant <strong>la</strong> pression dans <strong>la</strong> son<strong>de</strong> à sa valeur<br />
initiale,<br />
- soit un essai <strong>de</strong> pression <strong>de</strong> gonflement en maintenant le volume à sa valeur sous<br />
contrainte initiale.<br />
On remarque que l’essai est d’une durée très faible et ne donne que <strong>la</strong> première partie<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> courbe obtenue par Ofer.
Figure C.7 : Appareil <strong>de</strong> F<strong>la</strong>vigny et al. (1991) et exemple d’un essai <strong>de</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement
1<br />
ANNEXE D : Détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> capacité d’échange<br />
cationique<br />
1 - MODE OPERATOIRE DÉTAILLÉ<br />
1.1 Préparation <strong>de</strong>s solutions<br />
On peut partir <strong>de</strong> 5-10 ou 20 g. <strong>de</strong> sol (tamis 2 mm),<br />
• 5 g. pour une capacité d’échange <strong>de</strong> plus <strong>de</strong> 25 mé. pour 100 g <strong>de</strong> sol,<br />
• 10 g. entre 5 et 25 mé. pour 100 g. <strong>de</strong> sol,<br />
• 20 g. pour moins <strong>de</strong> 10 mé. pour 100 g. <strong>de</strong> sol,<br />
Ces prises <strong>de</strong> terre permettent d’éviter les dilutions ultérieures <strong>de</strong>s solutions; les essais<br />
ont montré que <strong>la</strong> précision <strong>de</strong>s dosages <strong>de</strong>venait moins bonne au <strong>de</strong>là <strong>de</strong> 4 mé. par<br />
litre <strong>de</strong> Ca. Pour 10 g. <strong>de</strong> sol, ce<strong>la</strong> correspond à 40 mé. pour 100 g. <strong>de</strong> Ca ++ mais on<br />
peut avoir à retrancher jusqu’à 15 mé. pour 100 g. <strong>de</strong> Cl - .<br />
2 Technique <strong>de</strong> perco<strong>la</strong>tion sur filtre et entonnoir<br />
La terre est p<strong>la</strong>cée dans un bécher <strong>de</strong> 100 ml. 50 ml <strong>de</strong> CaC12 N (1) sont rajoutés; <strong>la</strong><br />
suspension est agitée et <strong>la</strong>issée en contact une nuit. La suspension du sol est trans-<br />
vasée sur filtre (entonnoir d = 95 mm; filtre bleu sans cendres 125). Puis CaC12 N est<br />
percolé par fractions <strong>de</strong> 50 ml jusqu’à un volume total <strong>de</strong> 500 ml. CaC12 N/i0 est ensuite<br />
percolé par fractions <strong>de</strong> 50 ml jusqu’à concurrence <strong>de</strong> 150 ml.<br />
1<br />
(1) Solution d’extraction – 80 litres <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> calcium N<br />
+ 1.l 200 <strong>de</strong> triéthalonamie<br />
+ 1l 400 d’aci<strong>de</strong> Nitrique concentré (ajuster PH = 7).
TECHNIQUE DE PERCOLATION<br />
EN FLACONS PLASTIQUES.<br />
(Figure 1, 2,3)
Figure. 4
Les perco<strong>la</strong>ts <strong>de</strong> chlorure <strong>de</strong> calcium sont jetés. Les filtres sont retirés <strong>de</strong>s entonnoirs<br />
avec <strong>la</strong> terre qu’ils contenaient et p<strong>la</strong>cés à nouveau en contact une nuit, dans les<br />
béchers <strong>de</strong> 100 ml, avec 50 ml <strong>de</strong> N03K N. La suspension est à nouveau versée sur<br />
filtre et lessivée par fractions <strong>de</strong> 50 ml par NO3KN jusqu’à concurrence <strong>de</strong> il dans une<br />
fiole jaugée.<br />
C’est sur cette <strong>de</strong>rnière solution que sont effectués les dosages <strong>de</strong> Ca ++ et Cl - Vitesse<br />
d’analyse<br />
Les extractions sont effectuées par séries <strong>de</strong> 120 à <strong>la</strong> fois, CaCl2 N et N/10 doivent être<br />
effectuées en une journée.<br />
Les extractions au Les extractions par N03K commencées le premier jour sont terminées<br />
le second jour.<br />
3 Technique <strong>de</strong> perco<strong>la</strong>tion en f<strong>la</strong>con p<strong>la</strong>stique<br />
Dans <strong>la</strong> technique sur filtre et entonnoir l’inconvénient est le changement <strong>de</strong> filtre en<br />
cours d’opération et <strong>la</strong> très gran<strong>de</strong> lenteur <strong>de</strong> perco<strong>la</strong>tion : l’opérateur est sans arrêt<br />
occupé.<br />
Un système a été imaginé par C. REGAZZI qui permet d’effectuer toutes les opérations<br />
d’agitation du sol avec les solutions suivies <strong>de</strong> filtration, en utilisant un f<strong>la</strong>con p<strong>la</strong>stique<br />
<strong>de</strong> 250 ml dont le couvercle est percé d’un tube et muni à l’intérieur d’une ron<strong>de</strong>lle <strong>de</strong><br />
papier filtre p<strong>la</strong>cée entre <strong>de</strong>ux ron<strong>de</strong>lles <strong>de</strong> feutre, le tout serré contre l’ouverture du<br />
f<strong>la</strong>con par un joint circu<strong>la</strong>ire.<br />
Un orifice circu<strong>la</strong>ire est percé à mi-hauteur dans <strong>la</strong> paroi du f<strong>la</strong>con et sert à l’arri- vée<br />
<strong>de</strong>s liqui<strong>de</strong>s par un tube p<strong>la</strong>stique cristal relié à une pissette p<strong>la</strong>stique. un autre petit trou<br />
permet l’évacuation <strong>de</strong> l’air. Le sol p<strong>la</strong>cé au fond du f<strong>la</strong>con est agité avec le liqui<strong>de</strong> (qui<br />
ne doit pas dépasser <strong>la</strong> hauteur <strong>de</strong> l’orifice <strong>la</strong>téral) puis le f<strong>la</strong>con est retourné et mis en<br />
position <strong>de</strong> filtration (voir croquis joint).<br />
Ce système permet d’alterner agitation et filtration, le chlorure <strong>de</strong> calcium normal, puis<br />
N/50, sont injectés avec <strong>de</strong>s pissettes remplies préa<strong>la</strong>blement, les filtrats sont jetés<br />
directement à l’évier par un système <strong>de</strong> tuyaux. Une pression d’air comprimé est<br />
exercée à l’intérieur du f<strong>la</strong>con pour essorer les liqui<strong>de</strong>s, puis le nitrate <strong>de</strong> potassium<br />
normal est injecté à l’ai<strong>de</strong> d’une autre pissette, et le f<strong>la</strong>con est retourné directement sur<br />
<strong>la</strong> fiole jaugée <strong>de</strong> 1 000 ml. Pour faciliter <strong>la</strong> filtration, un peu <strong>de</strong> pâte <strong>de</strong> cellulose est<br />
mé<strong>la</strong>ngée avec le sol.<br />
Ce système est propre, rapidr, et nécessite beaucoup moins <strong>de</strong> travail <strong>de</strong> <strong>la</strong> part <strong>de</strong><br />
l’opérateur. (Figure. 4).
UNIVERSITÉ ABOUBEKR BELKAID, TLEMCEN<br />
FACULTÉ DES SCIENCES DE L’INGÉNIEUR<br />
Département partement <strong>de</strong> Génie G nie Civil<br />
Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur Environnement<br />
Mémoire <strong>de</strong> magister<br />
Contribution à l’é ’étu<strong>de</strong> tu<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong><br />
<strong>chimique</strong> <strong>de</strong> quelques argiles gonf<strong>la</strong>ntes<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> région r gion <strong>de</strong> Tlemcen<br />
Présenté par : AZZOUZ Fatima Zohra<br />
Sous <strong>la</strong> direction <strong>de</strong> : BEKKOUCHE.A
INTRODUCTION<br />
L’argile est un sol assisse pour un grand nombre <strong>de</strong><br />
construction certaines familles d’argile présentent <strong>la</strong><br />
caractéristique être gonf<strong>la</strong>nte ou rétractable. Cette<br />
caractéristique est <strong>la</strong>rgement influençable par <strong>la</strong> variation<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau .A <strong>la</strong> teneur en eau constante , il<br />
n’aura pas ou peu <strong>de</strong> variation <strong>de</strong> volume.
PROBLIMATIQUE<br />
C’est un sol qui subit une importante variation <strong>de</strong><br />
volume lors <strong>de</strong> <strong>la</strong> modification <strong>de</strong> sa teneur en eau.
Distribution mondiale <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts, LCPC (1999).
Désordres<br />
observés<br />
DES DÉSORDRES
MANIFESTATION DES DÉSORDRES<br />
Concerne surtout les<br />
maisons individuelles<br />
Désordres observés<br />
Fissuration <strong>de</strong>s structures.<br />
Distorsion <strong>de</strong>s ouvertures<br />
Rupture <strong>de</strong> canalisations<br />
Décollement <strong>de</strong>s bâtiments<br />
annexes Etc…
DES DÉSORDRES<br />
Inversion <strong>de</strong> pente qui provoque <strong>de</strong> débor<strong>de</strong>ment <strong>de</strong>s<br />
drains (réseau <strong>de</strong> drainage), alimentant le phénomène<br />
<strong>de</strong> gonflement.<br />
Les routes sont détruites par:Évaporation <strong>de</strong> l’eau →<br />
retrait <strong>de</strong>s sols → fissuration → infiltration <strong>de</strong>s eaux<br />
→ gonflement plus en profon<strong>de</strong>ur.<br />
Les monuments historique peuvent être endommagés<br />
par le gonflement.
La carte géologique<br />
La carte géotechnique
STRUCTURE DES ARGILES<br />
Les argiles sont constituées d’un empilement <strong>de</strong><br />
feuillets.<br />
Un feuillet est constitué d’un arrangement <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux<br />
types <strong>de</strong> couches. Une tétraédrique à base <strong>de</strong> silice<br />
.Une octaédrique à base d’hydroxy<strong>de</strong> d’aluminium.<br />
Les arrangement <strong>de</strong> ces <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> couches<br />
définissent les catégories principales <strong>de</strong>s minéraux<br />
argileux.
CARACTÉRISTIQUES DES<br />
DIFFÉRENTES ARGILES
TYPE DE GONFLEMENT<br />
Gonflement inter foliaire<br />
Gonflement<br />
interparticu<strong>la</strong>ire
IDENTIFICATION DES SOLS<br />
ÉTUDIÉS<br />
Notre étu<strong>de</strong> a été effectuée sur <strong>de</strong>ux argiles,<br />
<strong>la</strong> première est une argile naturelle intacte<br />
extraite du site <strong>de</strong> Mansourah ( <strong>de</strong> <strong>la</strong> ville <strong>de</strong><br />
Tlemcen) . Ces échantillons sont prélèves a<br />
différentes profon<strong>de</strong>urs pour <strong>de</strong>s différentes<br />
sondages .<br />
<strong>la</strong> <strong>de</strong>uxième est une Bentonite <strong>de</strong> Maghnia<br />
(Située à 60 km à l’Ouest <strong>de</strong> Tlemcen).<br />
Ces <strong>de</strong>ux argiles ont fait l’objet <strong>de</strong> recherches<br />
antérieures au <strong>la</strong>boratoire <strong>de</strong> mécanique <strong>de</strong>s sols<br />
<strong>de</strong> l’<strong>Université</strong>.
OBJECTIFS DU TRAVAIL<br />
La présente étu<strong>de</strong> comporte <strong>de</strong>ux volets :<br />
Le premier est re<strong>la</strong>tif aux essais<br />
recomman<strong>de</strong>s par l’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s sols<br />
gonf<strong>la</strong>nts(essais simples) et réalisation <strong>de</strong>s<br />
essais <strong>de</strong> gonflement par <strong>la</strong> métho<strong>de</strong> A selon<br />
<strong>la</strong> norme ASTM.<br />
Le second a pour objet <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s<br />
argiles gonf<strong>la</strong>ntes par l’utilisation <strong>de</strong>s sels.
Tableau : Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés
CINÉTIQUE DU GONFLEMENT<br />
VOYSANADE<br />
G :est le taux <strong>de</strong> gonflement maximal pour<br />
un temps infini et<br />
B : est le temps du <strong>de</strong>mi gonflement.
CELLULE<br />
OEDOMETRIQUE
EVOLUTION DU GONFLEMENT EN<br />
FONCTION DU TEMPS
MESURE DIRECTE DU PARAMÈTRES DU<br />
GONFLEMENT NORME ASTM<br />
(MÉTHODE A D 4546)
COMMENT NOUS AVONS CONSTRUIRE<br />
Soit<br />
SANS DANGER SUR CE GENRE DE<br />
FORMATION ?<br />
1. À concevoir un ouvrage dont<br />
’infrastructure résiste aux mouvements<br />
du sol.<br />
2. Traiter ce sol pour que ce <strong>de</strong>rnier soit<br />
moins sensible à <strong>la</strong> variation <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
teneur en eau, c’est ce qu’on entend par<br />
<strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> .
BUT DE STABILISATION<br />
Le traitement <strong>de</strong>s sols est souvent opéré:<br />
pour augmenter leur résistance,<br />
pour réduire ou augmenter leur perméabilité.<br />
Il est, aussi utilisé pour minimiser <strong>la</strong> sensibilité du<br />
sol aux variations <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau comme dans<br />
le cas <strong>de</strong>s sols expansifs.
LES DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE<br />
STABILISATION<br />
Les techniques <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> les plus utilisées sont :<br />
La <strong>stabilisation</strong> mécanique.<br />
La <strong>stabilisation</strong> thermique.<br />
La <strong>stabilisation</strong> par ajout <strong>de</strong>s matériaux.<br />
La <strong>stabilisation</strong> <strong>chimique</strong>:<br />
STABILISATION PAR CIMENT.<br />
STABILISATION PAR LA CHAUX.<br />
STABILISATION PAR SEL.
STABILISATION PAR LES SELS
Comment les sels réduisent- ils le<br />
1. La capacité d’échange cationique<br />
Les argiles présentent <strong>de</strong>s propriétés d’échange, elles<br />
peuvent fixer tous les cations, exemple :<br />
Na argile + CaCl2<br />
gonflements <strong>de</strong>s argiles ?<br />
L’efficacité d’un sel peut être analysée par <strong>de</strong>ux approximations:<br />
Ca Argile + NaCl<br />
Cependant il existe un certain ordre d’affinité lié à <strong>la</strong> fois<br />
à <strong>la</strong> taille <strong>de</strong>s ions et à <strong>la</strong> nature <strong>de</strong>s cations.<br />
Al3+> Ca2+> Mg2+> K+>H+ > Na+ < Li+
2. Modèle <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche<br />
Épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse<br />
Selon Komine et Ogata , Le gonflement est souvent liée<br />
à l’augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse<br />
Modèle <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche<br />
Épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> double couche diffuse<br />
en présence du sel
ACTION DE DIFFÉRENTS TYPES DES<br />
SELS SUR LA LIMITE D’ATTERBERG<br />
Argile <strong>de</strong> Mansourah Argile <strong>de</strong> Mansourah<br />
Argile <strong>de</strong> Maghnia<br />
Argile <strong>de</strong> Maghnia
Tableau : Caractéristiques d’i<strong>de</strong>ntification <strong>de</strong>s matériaux étudiés en<br />
présence <strong>de</strong>s solutions saline pour l argile <strong>de</strong> Maghnia
EVOLUTION DU GONFLEMENT EN<br />
FONCTION DU TEMPS DU SEL
CINÉTIQUE DU GONFLEMENT<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia<br />
en présence du KCL<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia<br />
en présence du NH4CL<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia<br />
en présence du NACL<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia<br />
en présence du MgCl2
CINÉTIQUE DU GONFLEMENT<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia en<br />
présence du CaCl2<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Mansourah<br />
présence du CaCl2<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Maghnia<br />
en présence du AlCl3<br />
Argile compacter <strong>de</strong> Mansourah<br />
en présence du NACL
CINÉTIQUE DU GONFLEMENT<br />
Tableau: Des paramètres <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique <strong>de</strong> gonflement en présence <strong>de</strong> différentes<br />
solutions salines a plusieurs concentrations
INFLUENCE DE LA CONCENTRATION<br />
DU SEL
INFLUENCE DE LA CONCENTRATION<br />
DU SEL
INFLUENCE DE LA VALENCE DES<br />
CATIONS<br />
La valence est probablement le facteur déterminant dans<br />
<strong>la</strong> capacité d’échange ou <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement <strong>de</strong>s cations<br />
plus élevé qui peuvent remp<strong>la</strong>cer facilement les cations <strong>de</strong><br />
valeurs plus faibles.<br />
Par ordre <strong>de</strong> capacité <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement croissante, les ions<br />
se c<strong>la</strong>ssent comme suit :<br />
Li+
INFLUENCE DE LA VALENCE DES<br />
CATIONS
ACTION DES DIFFÉRENTS TYPES DE<br />
SELS SUR LE TAUX DE GONFLEMENT.
Conclusion<br />
Ce sont les conséquences néfastes du gonflement <strong>de</strong>s sols sur les ouvrages en surfaces et en<br />
souterrains qui ont incité les recherches et les ingénieurs à penser à <strong>de</strong>s remè<strong>de</strong>s et <strong>de</strong>s solutions<br />
aux causes <strong>de</strong>s dégâts engendrés par ce phénomène.<br />
Cette étu<strong>de</strong> s’inscrit dans le cadre <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux argiles gonf<strong>la</strong>nts <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong><br />
Tlemcen (Mansourah, Maghnia), mise en contact avec <strong>de</strong>s solutions aqueuses. L’intérêt a été<br />
particulièrement porté pour objectifs :<br />
Mesure les amplitu<strong>de</strong>s et les pressions du gonflement d’une région.<br />
Trouver <strong>de</strong>s solutions pratiques <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> du phénomène du gonflement.<br />
En première lieu, une étu<strong>de</strong> bibliographique réalisée dans ce mémoire a mis en relief l’importance et<br />
les conséquences du gonflement sur <strong>la</strong> stabilité et le comportement <strong>de</strong>s ouvrages creusés dans les<br />
matériaux argileux.<br />
Il a également permis <strong>de</strong> mettre en évi<strong>de</strong>nce <strong>de</strong> <strong>la</strong> complexité <strong>de</strong> ce<br />
phénomène surtout a l’échelle microscopique en raison <strong>de</strong>s nombreux mécanismes<br />
impliques (adsorption, osmose, capil<strong>la</strong>rité).ces mécanisme ont été décrit et présentés d’un point <strong>de</strong><br />
vue théorique et les approches <strong>de</strong> modélisation.
Conclusion<br />
• Toute <strong>la</strong> difficulté résidée dans <strong>la</strong> définition <strong>de</strong>s paramètres sensés présentée le phénomène du<br />
gonflement et par <strong>la</strong> suite caractériser les sols gonf<strong>la</strong>nts. Il est note que l influence <strong>de</strong> l’état initiale<br />
du sol est très importante sur le gonflement, <strong>de</strong> ce fait les paramètres obtenus dépen<strong>de</strong>nt<br />
essentiellement <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche, <strong>la</strong> teneur en eau initiale et d’autres paramètres extérieurs tel<br />
que l effet cyclique (humidification /<strong>de</strong>ssiccation).<br />
•Par ailleurs, une étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique du gonflement présenté par quelques résultats a trouvé par<br />
divers chercheurs. D après les observations et les suivi tentativement l’évolution du gonflement en<br />
fonction du temps, nous avons remarqué selon <strong>la</strong> forme <strong>de</strong>s courbes trois phases principales (inter<br />
vi<strong>de</strong>, primaire et secondaire).<br />
Aussi nous avons pu déterminer grâce à une régression linéaire les <strong>de</strong>ux paramètres caractérisant <strong>la</strong><br />
cinétique du gonflement à partir <strong>de</strong> l’expression <strong>de</strong> Voysana<strong>de</strong>. Cette approche est intéressante dans<br />
le sens ou elle nous permit <strong>de</strong> définir l’amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement finale et son <strong>de</strong>mi temps <strong>de</strong><br />
gonflement.<br />
La <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols argileux a été étudie par un grand nombre <strong>de</strong>s chercher. Beaucoup <strong>de</strong>s<br />
métho<strong>de</strong>s et d’appareil<strong>la</strong>ges ont été mis au point, pour avoir <strong>de</strong>s solutions qui minimisent le<br />
phénomène <strong>de</strong> gonflement.
Conclusion<br />
Pour reconnaître et i<strong>de</strong>ntifier un sol argileux plusieurs étu<strong>de</strong>s doivent être faites, une étu<strong>de</strong><br />
géotechnique et <strong>chimique</strong> pour déterminer les paramètre physiques suivie <strong>de</strong> mesures directes <strong>de</strong><br />
paramètres mécanique (amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement et pression <strong>de</strong> gonflement) basée sur <strong>de</strong>s<br />
métho<strong>de</strong>s oedométriques.<br />
L’étu<strong>de</strong> expérimentale a consisté tout d’abord à <strong>la</strong> détermination <strong>de</strong>s paramètres géotechniques<br />
et mécaniques <strong>de</strong>s sols provenant <strong>de</strong>s, ensuite une étu<strong>de</strong> Sites Mansourat et Maghnia <strong>de</strong> <strong>la</strong> région<br />
<strong>de</strong> Tlemcen<br />
Enfin une étu<strong>de</strong> qui porte sur l’effet <strong>de</strong> différents sels à différentes concentrations sur les<br />
paramètres mécaniques, afin d’en déduire une métho<strong>de</strong> pratique <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> du gonflement et<br />
<strong>de</strong> sa pression.<br />
Sur <strong>la</strong> base <strong>de</strong>s résultats obtenus sur nos argiles et à <strong>la</strong> lumière <strong>de</strong>s interprétations <strong>de</strong> ces<br />
résultats, plusieurs conclusions ont été faites :<br />
La <strong>de</strong>nsité sèche affecte sensiblement le gonflement et <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement, tant que <strong>la</strong><br />
<strong>de</strong>nsité sèche augmente le gonflement et sa pression augmentent ceci est expliqué par le faite que<br />
le matériau le plus <strong>de</strong>nse exhibera un gonflement et une pression <strong>de</strong> gonflement plus grands car il<br />
contient un nombre supérieur <strong>de</strong> particules argileuses.<br />
Le gonflement est inversement proportionnelle à <strong>la</strong> teneur en eau initiale, quand celle ci<br />
augmente, le gonflement diminue, à partir <strong>de</strong> ces seuls essais il est difficile <strong>de</strong> trouver une loi <strong>de</strong><br />
variation du gonflement, cependant il a été possible <strong>de</strong> déterminer une teneur en eau critique qui<br />
donnerait un gonflement apparent nul.
L’action <strong>de</strong>s diverses solutions salines sur le gonflement nous a conduit à retenir les conclusions<br />
suivantes:<br />
Influence <strong>de</strong>s solutions salines et leurs concentrations, leur valences et tailles sur l’amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
gonflement a effet très prononcé. Mais l’effet <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence est probablement le facteur déterminant<br />
dans <strong>la</strong> capacité d’échange ou <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement <strong>de</strong>s cations plus élevé peuvent remp<strong>la</strong>cer facilement<br />
les cations <strong>de</strong> valeurs plus faibles. Dans le cas <strong>de</strong>s ions <strong>de</strong> même valence, <strong>la</strong> taille <strong>de</strong> l’ion hydraté<br />
revêt une importance primordiale ; plus l’ion est gros, plus sa capacité <strong>de</strong> remp<strong>la</strong>cement est gran<strong>de</strong>.<br />
Mais nous avons trouvé le contraire pour le chlorure d’Aluminium. Ceci n’a pas donné une réduction<br />
du gonflement, mais sauf dans le cas ou <strong>la</strong> concentration est forte<br />
Le chlorure <strong>de</strong> calcium et le chlorure <strong>de</strong> Magnésium sont plus efficaces à fortes ou fortes<br />
concentrations<br />
Le chlorure <strong>de</strong> potassium réduit le gonflement <strong>de</strong>s sols étudiés grâce à <strong>la</strong> fixation <strong>de</strong> ces cations entre<br />
les feuillets, le gonflement diminue et sa vitesse est rapi<strong>de</strong> même à faibles concentrations.
Le chlorure <strong>de</strong> sodium réduit lui aussi le gonflement mais à un <strong>de</strong>gré faible, ne il à surtout<br />
l’avantage d’être le moins coûteux.<br />
Le chlorure d’ammonium est moyennement réduit <strong>la</strong> gonflement ou <strong>la</strong> concentration est<br />
forte.<br />
L’effet <strong>de</strong>s solutions salines et leurs concentrations sur <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement n’a rien<br />
révélé, cependant il serait préférable d’étudier leurs effet en utilisant d’autres métho<strong>de</strong>s pour<br />
pouvoir c<strong>la</strong>sser ces solutions suivant leurs <strong>de</strong>gré d’inhibition.<br />
L’application <strong>de</strong> <strong>la</strong> technique <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong> <strong>de</strong>s sols gonf<strong>la</strong>nts par les sels à <strong>de</strong>s ouvrages<br />
réels doit être envisagé notamment dans le cas où les essais au <strong>la</strong>boratoire ne mettent pas<br />
en évi<strong>de</strong>nce <strong>de</strong> façon c<strong>la</strong>ire l’obtention d’un équilibre, il n’est pas impossible alors que le<br />
gonflement <strong>de</strong>s matériaux traités puisse rejoindre celui <strong>de</strong>s matériaux non traités.<br />
Il ressort néanmoins <strong>de</strong>s essais réalisés qu’il est indispensable d’effectuer une étu<strong>de</strong><br />
spécifique détaillée si possible dans les conditions du sites avant chaque cas <strong>de</strong> traitement<br />
envisagé afin <strong>de</strong> définir <strong>la</strong> nature et <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong>s solutions salines à utiliser sur un<br />
site.<br />
Par ailleurs <strong>la</strong> possibilité <strong>de</strong> lixivation <strong>de</strong>s sels à long termes par les eaux <strong>de</strong> pluie ne peut<br />
être écarté pour ce<strong>la</strong> il est conseillé d’étudier le phénomène d’irréversibilité en analysant les<br />
échantillons stabilisés et mis au contact <strong>de</strong> l’eau au microscope à ba<strong>la</strong>yage électronique<br />
M.E.B ; l’utilisation <strong>de</strong> surfactants permet également un traitement efficace <strong>de</strong>s sols argileux<br />
[16]. Cite par boukokba.
Recommandations<br />
Les recherches doivent se poursuivre notamment :<br />
L’établissement d’un appareil<strong>la</strong>ge pour mesurer <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement, notamment un appareil<strong>la</strong>ge qui permet le contrôle <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
pression interstitielle et le <strong>de</strong>gré <strong>de</strong> saturation <strong>de</strong> l’échantillon au cours<br />
<strong>de</strong> l’essai.<br />
L’établissement <strong>de</strong>s modèles <strong>de</strong> prédiction <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement pour les argiles <strong>de</strong> <strong>la</strong> région <strong>de</strong> Tlemcen.<br />
La réalisation <strong>de</strong>s mesures sur le site, sur plusieurs années, afin <strong>de</strong><br />
vérifier les modèles.<br />
L’établissement d’un co<strong>de</strong> réglementaire pour <strong>la</strong> conception <strong>de</strong>s<br />
fondations <strong>de</strong> sols gonf<strong>la</strong>nts.<br />
L’établissement d’une carte <strong>de</strong> localisation <strong>de</strong>s régions Algériennes<br />
susceptibles d’être affectées par les dommages résultant <strong>de</strong>s sols<br />
gonf<strong>la</strong>nts.
Merci <strong>de</strong><br />
votre<br />
attention
INTRODUCTION…………………………………………………………………..……01<br />
CHAPITRE I : AUTOUR DU PHENOMENE DU GONFLEMENT<br />
1 Introduction…………………………………………………………………………………04<br />
2 Impact du gonflement sur les ouvrages en géotechnique………………..………………....05<br />
2.1 Ouvrages superficiels…………………………...……………………………………..05<br />
2 2 Ouvrages souterrains…………………………………………………………..………06<br />
2.2.1 Tunnels……………………………………………………………………..…….06<br />
2.2.2 puits pétroliers……………………………………………………………..……..06<br />
2.2.3 Cavités <strong>de</strong> stockage <strong>de</strong>s déchets radioactifs………...…………………...……….07<br />
2.2.4 Monuments historiques………………………………………………...……..…..08<br />
3 Les argiles………………………………………………………………………..…...…….08<br />
3.1. Structure cristalline du feuillet élémentaire…………………………………………...09<br />
3.2 Les principales caractéristiques <strong>de</strong>s minéraux argileux…………………………….…11<br />
3.2.1 La <strong>de</strong>nsité <strong>de</strong> charge spécifique………………………………………...…….…..11<br />
3.2.2 La capacité d’échange cationique (CEC)………………………………..…….....11<br />
3.2.3 La surface spécifique…………………………………………………...………...12<br />
3.3 texture <strong>de</strong>s argiles……………………………………………………………………...12<br />
3.4. cations échangeables………………………………………………………………….14<br />
3.5. gonflement interfoliaire et interparticu<strong>la</strong>ire…………………………………………..14<br />
4 Différents types d’eau…………………………………………………………..…………..14<br />
4.1. L’eau libre……………………………………...……………………………………..14<br />
4.2. L’eau liée……………………………………………………...………………………14<br />
4.3. L’eau cristalline………………………………………...………………………..……14<br />
5 Interaction entre argiles (smectites) et cations alcalins……………………………….…….15<br />
5.1 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> nature <strong>de</strong>s cations alcalins………………………………………….....15<br />
5.1.1 Sur <strong>la</strong> force <strong>de</strong> l’interaction avec <strong>la</strong> surface………………………………...…....15<br />
5.1.2 Sur <strong>la</strong> sélectivité <strong>de</strong> l’échange……………………………...………………...…..16<br />
5.1.3 Les facteurs régissant le mo<strong>de</strong> d’interaction <strong>de</strong>s ions avec <strong>la</strong> surface <strong>de</strong><br />
l’argile………………………………………………………………………………..…16<br />
6. Interactions entre les feuillets en milieu aqueux...................................................................16<br />
6 Principales causes du gonflement………………….…………………………………….…19<br />
6.1 Hydratation par adsorption……………………...……………………………………..19
6.1.1 Forces d’attractions……………………………………………………...………..19<br />
6.1.2 Forces <strong>de</strong> répulsion…………………………………………………………...…..19<br />
6.2 Hydratation par osmose…………………………………………………………..……20<br />
6.3 Hydratation par capil<strong>la</strong>rite……………………………………………………………..21<br />
6.4. Transformations <strong>chimique</strong>s…………………………………………………….……..20<br />
6.4.1 L’oxydation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pyrite (FeS2)………………………………………...………...23<br />
6.4.2 La dissolution <strong>de</strong>s carbonates dans l’eau…………………………………...…….23<br />
7. Facteurs affectant le gonflement………………………………………………...…………23<br />
7.1. Facteurs intrinsèques……………………………………………………………...…..24<br />
7.1.1 Influence Compositions minéralogiques……………………………..…………..24<br />
7.1.2 Influence du type <strong>de</strong> cations compensateur………………………...…………….24<br />
7.1.3 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> Capacité d’échange en cations (CEC)……………..…………….24<br />
7.1.4 Influence Surface spécifique………………………………………..……………25<br />
7.1.5 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> structure du sol………………………………………...…………26<br />
7.1.6 Influence <strong>la</strong> quantité <strong>de</strong> minéraux non argileux…………...…………………..…26<br />
7.2. Facteurs externes……………………………………..……………………………….26<br />
7.2.1 Conditions <strong>de</strong> compactage (statique ou dynamique)…………..…………………26<br />
7.2.2 Influence <strong>de</strong> l’énergie <strong>de</strong> compactage…………………………………………....27<br />
7.2.3 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> teneur en eau initiale………………………………………...…...27<br />
7.2.4 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>nsité sèche……………………………………………………..28<br />
7.2.5 Influence <strong>de</strong> l’effet d’échelle………………………………………………...…...30<br />
7.2.6 Influence du régime <strong>de</strong> contraintes……………………………………………….30<br />
7.2.7 Influence du frottement <strong>la</strong>téral………………………………………..………….31<br />
7.2.8 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> température………………………………………………..……..32<br />
7.2.9 Influence <strong>de</strong>s Cycles retrait gonflement……………………………...…………..32<br />
7.2.9 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> durée <strong>de</strong>s essais……………………………………...…………...34<br />
7.2.10 Influence <strong>de</strong> l’épaisseur…………………………………………...…………….35<br />
8 Anisotropie du gonflement et anisotropie <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong><br />
gonflement……………………………………………………………………...…………….36<br />
3. Conclusion……………………………………………………………………………...….36<br />
CHAPITRE 02 : APPROCHES THEORIQUES DE GONFLEMENT<br />
1 Introduction…………………………………………………………………………………39<br />
2 Approche du double couche………………………………………………………………...40<br />
2.1. Double couche électrique…………………………………………………………......40<br />
5
2.1.1 Modèle <strong>de</strong> gouy-chapman…………………………………………..……………40<br />
2.1.2 Modèle <strong>de</strong> Stern……………………………………………………...…………...40<br />
2.1.3 Modèle triple couche…………………………………………………..…………41<br />
2.2 Potentiel zéta………………………………………………………………………..…42<br />
2.3 Influence <strong>de</strong>s différents paramètres sur le gonflement………….……………...……...43<br />
2.4 Forces électrostatiques……………………………………………………...…………44<br />
2.4.1 Force <strong>de</strong> répulsion……………………………………………………………..…44<br />
2.4.2 Force d’attraction………………………………………………...……………….45<br />
2.4.3 Force d’hydratation………………………………………………………...……..45<br />
2.5 Passage micro-macro………………………………………………………………….….45<br />
3. Approches phénoménologiques……………………………………………………………46<br />
3.1 Modèles en contraintes effectives……..…………………………………………..…..46<br />
3.2 Modèle d’Alonso et gens………………………………………………………………50<br />
4 Approches basées sur <strong>de</strong>s modèles <strong>de</strong> gonflemen………………………………….………51<br />
4.1 Modèles indépendants du temps……………………………………………...……….52<br />
4.1.1 Modèles unidirectionnels………………...……………………………………….52<br />
4.1.2 Modèles tridirectionnels……………………………………………..…………...52<br />
4.2 Modèles dépendants du temps………………………………………...……….………53<br />
4.2.1 Modèles unidirectionnels……………………………………………...………….53<br />
4.2.2 Modèles tridirectionnels……………………………………………..…………...54<br />
4.3 Modèles bases sur l’humidité re<strong>la</strong>tive ou l’activité……………………………………57<br />
5. les modèles <strong>de</strong> l'adsorption…………………………………………………………….…..58<br />
5.1 Les modèles <strong>de</strong> complexation <strong>de</strong> surface……………………………...………………58<br />
5.1.1. Complexes <strong>de</strong> sphère interne et externe……………………………………....…58<br />
5.1.2 Les différents mécanismes d'adsorption……………………………………...…..59<br />
5.1.3 Sélectivité <strong>de</strong> l'adsorption………………...………………………………………60<br />
6. Théorie <strong>de</strong>s échangeurs d'ions……………………………………………………………...60<br />
6.1 Définition d'un échangeur d'ion………………………………………………………..60<br />
6.2. Capacité d'échange……………………………………………...…………………….61<br />
6.2.1. Calculs <strong>de</strong> constantes…………………………………………………...………..61<br />
6.2.2. Influence du Ph…………………………………………………………...……...61<br />
7. Conclusion…………………………………………………………………………………62<br />
CHAPITRE 03: STABILISATION DES SOLS ARGILEUX<br />
6
1 Introduction…………………………………………………………………………………63<br />
2. Diverses solutions utilisées comme stabilisateur d’un sol argileux………………………..64<br />
2.1 <strong>stabilisation</strong> par ajout <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaux………………………………...…………….……..64<br />
2.1 1 Action immédiate………………………………………………….……………..64<br />
2. 2 Stabilisation par ajout du ciment…………………………………………...…………70<br />
2. 3 Stabilisation par ajout <strong>de</strong>s cendres vo<strong>la</strong>ntes………………………………...………...70<br />
2.4 Stabilisation par ajout <strong>de</strong>s mé<strong>la</strong>nges (ciment+cendres vo<strong>la</strong>ntes ou chaux +cendres<br />
vo<strong>la</strong>ntes ou ciment+ chaux)………………………………………………………….……….72<br />
2. 5 Stabilisation par ajout <strong>de</strong> sable…………………………………………………...…...72<br />
2. 6 Stabilisation par solutions salines……………………………………...………...…...74<br />
3 Autres techniques <strong>de</strong> <strong>stabilisation</strong>…………………...………………………………...……80<br />
3 1 Drainage…………………………………………………………………..……...……80<br />
3 2 Substitution………………………………………………………………………..…...80<br />
3 3 Application <strong>de</strong> fortes pressions………………………………………………..…...….80<br />
3 4 Compactage……………………………………………………………...………..…...80<br />
3 5 Préhumidication…………………………………………...…………………......……81<br />
3 6 Traitement thermique…………………………………………………………….……81<br />
3 7 Utilisation <strong>de</strong> fondations et d’édifices spéciaux……………………………......……...81<br />
6 Conclusion……………………………………………………………………...…………..81<br />
CHAPITRE 04: IDENTIFICATION PHYSICO- CHIMIQUE ET ESSAIS<br />
MECANIQUES POUR LES ARGILES ETUDIES<br />
1. Introduction………………………………………………………………………………...84<br />
2. Situation géologique……………………………………………………………………….84<br />
2.1 Argile <strong>de</strong> Mansourah…………………………………………………...……………...84<br />
2.2 Argile <strong>de</strong> Hammam Boughrara………………………………………….…….....…....85<br />
2.3 Argile <strong>de</strong> Imama………………………………………………………………...……..85<br />
3. Essais d’i<strong>de</strong>ntifications…………………………………………………………………….86<br />
3 1 Analyse granulométrique………………………………………………………...……86<br />
3.2. Limites d'Atterberg……………………………… ;………………………...………..87<br />
3.2.1. Action <strong>de</strong> différents types <strong>de</strong>s sels sur <strong>la</strong> limite d’Atterberg…………...…...….91<br />
4.2.2. Résultat <strong>de</strong> l’effet <strong>de</strong>s sels sur les limites d’Atterberg…………...………..…….92<br />
3.3. Essai au bleu <strong>de</strong> méthylène……………………………………………………...……96<br />
7
3.3.1 Surface spécifique totale s.s.t…………………………………………...……..…97<br />
3.4. Teneur en carbonate <strong>de</strong> calcium……………………………………………….…...…97<br />
4. Mesure indirecte <strong>de</strong> potentiel <strong>de</strong> gonflement………………………………………………98<br />
5. Mo<strong>de</strong>ls <strong>de</strong> prévision <strong>de</strong> gonflement………………………………………………………..99<br />
6. Essais mécaniques………………………………………………………………………...101<br />
6.1. Essai proctor…………………………………………………………………...…….101<br />
6.2. essai <strong>de</strong> compressibilité a oedometrique…………………………………………….103<br />
.Détermination <strong>de</strong> <strong>la</strong> capacité d’échange cationique………………………………………...106<br />
7.1 Principe <strong>de</strong> <strong>la</strong> métho<strong>de</strong>……………………………………………………...………..106<br />
Conclusion…………………………………………………………………………………..107<br />
CHAPITRE 05 : CINETIQUE DU GONFLEMENT<br />
1 Introduction………………………………………………………………………………..109<br />
2 Résultats <strong>de</strong> l’évolution du gonflement en fonction du temps a l’état naturel…………….112<br />
3. Résultas <strong>de</strong> l’évolution du gonflement avec <strong>de</strong>s solutions salines………………………..116<br />
4 Modélisation <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique………………………………………………………………127<br />
4.1. Résultats <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique du gonflement a état naturel………………………...…….129<br />
4.2. Résultats <strong>de</strong> <strong>la</strong> cinétique du gonflement en présence <strong>de</strong>s solutions salines...……….133<br />
5 Conclusion…………………………………………………………………………...……144<br />
CHAPITRE 06 : SABILISATION DU GONFLEMENT PAR LES SELS.<br />
1 Introduction……………………………………………………………………………….145<br />
2 Gonflement et échange ionique……………………………………………………………145<br />
2.1 Rappel sur les échanges ioniques………………………………...…….….…......…..145<br />
2.2 Coefficients d'activité <strong>de</strong>s solutions salines…………………………………….........147<br />
3. Mesure du gonflement et <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement a l’oedometre…………………..147<br />
3.1. La métho<strong>de</strong> d’Hu<strong>de</strong>r et Amberg………..……………...………………...……....…..147<br />
3.2. La métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement a volume constant………………………………...……147<br />
3.3. La métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement ou tassement sous charge constante…………….…..….148<br />
3.4. La métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> gonflement libre…………………………………………….…...…..148<br />
3.5. Gonflement selon <strong>la</strong> norme ASTM d-4546-90 – métho<strong>de</strong> A-…………...………….148<br />
3.6. Métho<strong>de</strong> LCPC avec variation <strong>de</strong> volume………………………………………….148<br />
4. Procédure expérimentale………………………………………………………………….149<br />
4.1. Résultats <strong>de</strong> <strong>la</strong> mesure du gonflement et <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement a l’oedometre.<br />
……………………………………………………………………………………………….149<br />
8
5. Stabilisation du gonflement par les sels…………………………………………………..154<br />
6. Résultats obtenus………………………………………………………………………….155<br />
6.1. Action <strong>de</strong>s différents types <strong>de</strong> sels sur le taux <strong>de</strong> gonflement……………………….155<br />
6.1.1 Action chlorure <strong>de</strong> sodium………………………………...………………..…..155<br />
6.1.2 Action chlorure potassium……………………………………………...……….156<br />
6.1.3 Action chlorure d’ammonium……………………………...…………..……….157<br />
6.1.4 Action chlorure calcium……………………………………..………………….158<br />
6.1.5 Action chlorure magnésium………………………………………...…………...159<br />
6.1.6 Action chlorure d’aluminium…………………………………………..……….160<br />
6.2 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> valence <strong>de</strong>s cations…………………………………………...……...161<br />
6.3 Influence <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentration <strong>de</strong>s sels sur le gonflement……………………..……...163<br />
6.4. Synthèse <strong>de</strong>s résultats…………………………………………………………...…...165<br />
6.5. Action <strong>de</strong>s sels sur <strong>la</strong> pression <strong>de</strong> gonflement……………………………………….166<br />
7. Conclusion ……………………………………………………………………………….176<br />
CONCLUSION GENERALE………………………………………………………….177<br />
BIBLIOGRAPHIE PRINCIPALE<br />
BIBLIOGRAPHIE SUPPLEMENTAIRE<br />
ANNEXES<br />
9