Comportement thermo-hydro-mécanique et durabilité des bétons de sol : influence des paramètres de formulation et conditions d'exposition.

Thermo-hydro-mechanical behavior and durability of soilcretes : influence of formulation parameters and exposure conditions.

• Auteur / Autrice : Olivier Helson
• Direction : Albert Noumowe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 05/05/2017
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Président / Présidente : Farimah Masrouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Noumowe, Jean Robert Gauthey, Philippe Gotteland, Javad Eslami, Anne-Lise Beaucour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine A. Davy, Anne Pantet

Mots clés

Mots clés libres

Béton de sol

Formulation

Durabilité

Propriétés mécaniques

Porosité

Perméabilité

Soilcrete

Formulation

Durability

Mechanical properties

Porosity

Permeability

Résumé

L'amélioration des sols est à l'origine une solution économique pour rendre un sol constructible, notamment par rapport aux méthodes de fondations profondes utilisant des pieux. L'amélioration de la compréhension du comportement du matériau provenant de soil-mixing ou jet-grouting connait un intérêt grandissant. Ces deux procédés consistent à mélanger le sol en place avec un liant hydraulique afin de former des colonnes ou des panneaux en "béton de sol". Les fondations spéciales ont connu ces dernières décennies un franc succès aux États-Unis, au Japon et dans les pays Scandinaves. En Europe les nouvelles priorités, pour la plupart liées à l'environnement, au coût de la construction et à la valorisation des matériaux encouragent les industriels à contribuer au développement technologique de la discipline. Certains procédés de mélange paraissent désormais suffisamment sophistiqués pour assurer la réalisation d'éléments structuraux tels que les fondations et les soutènements.Contrairement aux matériaux préfabriqués, à cause des incertitudes liées à l'hétérogénéité des sols, aux conditions environnementales et à la qualité du malaxage sur chantier, il reste toutefois difficile de prédire les propriétés du matériau obtenu. Un manque de règles et de recommandations semble également assez flagrant. Pour répondre au besoin de prédiction et de fiabilisation performantielle des bétons de sol l'objectif des travaux de thèse était donc d'étudier l'influence des paramètres de formulation sur les propriétés physiques et mécaniques du matériau. Les fortes quantités d'eau de gâchage nécessaires à l'obtention d'une consistance de BAP et la faible granulométrie des sols limitent les caractéristiques mécaniques de ces bétons. De par leur composition, les bétons de sol sont donc particulièrement sensibles au retrait de dessiccation et l'importante porosité de ces matériaux les aussi rend plus vulnérables aux agressions chimiques. L’objectif ultime des travaux de recherche était donc de déterminer des paramètres pour une meilleure visibilité de la durée de vie des ouvrages en béton de sol.L'approche béton suivie au laboratoire a consisté à étudier différents bétons de sol composés de sols "artificiels", d'un ciment CEM III/C, et avec un rapport E/C efficace constant. L'étude paramétrique met en évidence un pourcentage volumique d’argile dans le sol au-delà duquel la résistance diminue et la rigidité du matériau peut poser problème pour certaines utilisations structurelles. Les gains de résistance et de rigidité associés à l'augmentation du dosage en ciment sont également quantifiés. Les résultats montrent que l'endommagement par chargement mécanique dépend surtout du dosage en ciment. À partir des résultats expérimentaux, des relations mathématiques sont proposées pour la phase de dimensionnement. Divers essais de vieillissement accéléré permettent de définir des seuils pour les indicateurs de durabilité (porosité et la perméabilité à l'eau). L'analyse de la microstructure du matériau montre aussi l'importance de l'interface pâte-granulat et a permis d'identifier certains mécanismes de dégradation en lien avec les conditions d'exposition. Enfin, ce travail est complété par une étude du comportement à haute température.

Soil improvement initially has been used as an economical solution to make soil constructible, particularly in the context of deep foundation methods using piles. There has been growing interest to improve understanding of the behavior of soil-mixing and jet-grouting material, which consist of mixing the soil in place with a hydraulic binder in order to form columns or panels of "soilcrete". In recent decades, these special foundations have had a great success in the United States, Japan and the Scandinavian countries. In Europe, the environmental consciousness and the ongoing trend to reuse existing material to reduce cost of construction are driving companies to contribute to the technological development of this discipline. Some mixing processes now seem to be sophisticated enough to provide structural elements such as foundations and supports.Unlike prefabricated materials, it is difficult to predict the properties of the material obtained through deep soil mixing due to uncertainties related to soil heterogeneity, environmental conditions and the quality of mixing on site. The objective of the thesis work is to address this need for prediction and performantial reliability of soilcrete by studying the influence of the formulation parameters on the physical and mechanical properties of the material. The high quantities of mixing water necessary to obtain a BAP consistency and the small particle size of the soil limit the mechanical properties of the soilscretes and as a consequence, are particularly sensitive to desiccation shrinkage. Besides, the high porosity of these materials also makes them more vulnerable to chemical aggressions. The ultimate objective of the research is to determine parameters for a better visibility of the lifetime of concrete structures in the soil.The approach tested in the laboratory consists of studying different soilcretes composed of "artificial" soils, CEM III / C cement and with a constant W/C ratio. The parametric study reveals a proportion by volume of clay in the soil beyond which the resistance decreases and thus the stiffness of the material can be problematic for some structural uses. The increase in resistance and the associated stiffness of the soilcrete by increasing the cement dosage is also quantified. The results show that the damage by mechanical load depends mostly on the cement dosage. From the experimental results, mathematical relations are proposed for the dimensioning phase. Various tests of accelerated aging help define thresholds for the indicators of durability (porosity and water permeability). The analysis of the microstructure of the material also shows the importance of the paste-aggregate interface and made it possible to identify some mechanisms of degradation in relation to the exposure conditions. To conclude, this work is finalised by a study of the behavior at high temperature.