Impact des conditions environnementales sur le comportement à long terme de sols traités

Long-Term behaviour of stabilised soils exposed to environmental conditions

• Auteur / Autrice : Nicolas Chabrat
• Direction : Olivier Cuisinier, Farimah Masrouri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 24/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Pierre Breul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cuisinier, Farimah Masrouri, Anthony Soive, Pascal Villard, Anne-Lise Beaucour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Soive, Pascal Villard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Mécanique des fluides

Argile

Matériaux -- Biodégradation

Ciment

Sols -- Chaulage

Propriétés physico-chimiques

Sols fins

Mots clés libres

Traitement de sol

Durabilité

Argile

Comportement hydromécanique

Microstructure

Analyse physico-chimique

Soil stabilisation

Durability

Clay

Hydromechanical behaviour

Microstructure

Physico-Chemical analysis

Résumé

Le traitement à la chaux et/ou au ciment est une solution courante pour améliorer les performances mécaniques des sols fins. Le traitement permet notamment de réduire fortement la susceptibilité des sols argileux au phénomène de retrait et de gonflement. Toutefois, si de nombreuses études en laboratoire ont été réalisées concernant les sols traités, la question de leur évolution in situ n'a été que très peu considérée. Ainsi, les méthodes et procédures existantes ne permettent généralement pas d'évaluer l'altération dues aux conditions environnementales d'un sol traité. La thèse aborde cette problématique par l'étude du remblai expérimental d'Héricourt. Construit en 2010 dans le cadre du projet ANR TerDOUEST, ce remblai est constitué d'une argile considérée comme fortement plastique. Cette argile a été traitée dès sa mise en place à la chaux et/ou au ciment. Un premier diagnostic de l'état du remblai a été effectué 11 ans après la construction de l'ouvrage, par l'intermédiaire de carottages horizontaux et verticaux. La caractérisation hydromécanique de l'argile traitée a été réalisée en menant une campagne d'essais œdométriques. La compressibilité du matériau prélevé par l'intermédiaire du carottage horizontal a été déterminée et a permis d'évaluer l'évolution du comportement mécanique du sol traité en fonction de sa proximité à la surface du talus. Les résultats montrent que les matériaux situés au cœur du remblai ont un comportement mécanique similaire à celui du sol traité en laboratoire après une cure de 180 jours. En revanche, une dégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau a été mise en évidence en s'approchant de la partie externe du remblai. Les propriétés mécaniques des matériaux prélevés dans la partie externe étaient équivalentes à celles du sol non traité. L'étude de la microstructure (porosimétrie par intrusion de mercure, microscope électronique à balayage) et de la composition chimique (analyse thermogravimétrique, fluorescence de rayons X) et minéralogique (diffraction de rayon X) du sol traité a été menée afin de comprendre les sollicitations environnementales responsables de l'altération observée en bordure. Le lessivage du traitement a été identifié comme étant en partie responsable de la chute des performances mécaniques mesurées en bordure de l'ouvrage. Des transformations minéralogiques comme la formation de calcite dans les premiers mètres du remblai mettent également en évidence une altération du comportement hydromécanique par carbonatation des phases cimentaires. Le rôle des cycles de séchage et d'humidification dans l'altération mécanique du sol traité a également été étudié. Des éprouvettes provenant de la partie interne de l'ouvrage ont été soumis à des cycles hydriques de différentes succions allant de 0 à 95 MPa. Les résultats ont montré que ces cycles ont un impact majeur sur la performance à long terme des sols traités au-delà d'une certaine amplitude de succion. Le processus de dégradation est principalement une conséquence de la rupture des liaisons cimentaires plutôt que d'autres processus physico-chimiques comme le lessivage du calcium ou la carbonatation. Cette étude a permis une quantification mécanique de l'altération d'une argile traitée prélevée dans un ouvrage expérimental. Le lessivage et la carbonatation du traitement ont été identifiés comme responsables de la dégradation des performances mécaniques au niveau de la partie externe de l'ouvrage. Enfin, l'étude du matériau traité soumis à des cycles hydriques a permis de quantifier leur impact sur le comportement mécanique, tout en déterminant les mécanismes d'altération des effets du traitement.

Lime and/or cement stabilization is a common solution for improving the mechanical performance of fine soils. Treatment limits the shrinkage and swelling effect of clayey soils. However, while numerous laboratory studies have been carried out on treated materials, little is known about the in situ performance of such stabilised materials several years after construction, and very few studies are available, especially in the case of stabilised expansive soils. As a result, existing methods and procedures are generally unable to assess the alteration caused by the environmental conditions of a treated soil. This thesis addresses these issues by studying an experimental embankment at Héricourt (France). Built in 2010 as a part of the ANR TerDOUEST project, this embankment was built with a highly plastic clayey soil. The clay was treated with lime and/or cement upon construction. An initial assessment of the state of the backfill was carried out 11 years after construction of the structure, with horizontal and vertical corings. The hydromechanical characterisation of the treated clay was carried out with multiple oedometer tests. The compressibility of the material sampled by horizontal coring was determined, making it possible to assess changes in the mechanical behaviour of the treated soil as a function of its proximity to the edge of the embankment. The results showed that the materials located in the internal part of the embankment have a mechanical behaviour similar to that of the soil treated in the laboratory after a 180-day curing time at constant moisture content. On the other hand, a gradual deterioration of the mechanical properties of the material was observed as it approached the outer part of the embankment. The mechanical properties of the materials taken from the outer part were equivalent to those of the untreated soil. The microstructure (mercury intrusion porosimetry, scanning electron microscopy), chemical composition (thermogravimetric analysis, X-ray fluorescence) and mineralogical composition (X-ray diffraction) of the treated soil were studied in order to understand the environmental conditions responsible for the deterioration observed at the edges. Leaching from the treatment was identified as being partly responsible for the decrease in mechanical performance measured at the edge of the structure. Mineralogical transformations, such as the formation of calcite in the first few metres of the backfill, also highlighted an alteration of the hydromechanical behaviour through carbonation of the cement phases. The role of wetting and drying periods in the mechanical weathering of the treated soil was also studied. Specimens from the inner part of the structure were subjected to wetting and drying cycles of various suctions ranging from 0 to 95 MPa. The results showed that drying and wetting cycles have a major impact on the long-term performance of treated soils above a certain suction amplitude. The degradation process is mainly a consequence of cement bond failure rather than other physico-chemical processes such as calcium leaching or carbonation. This study allowed a mechanical quantification of the weathering of treated clay taken from an experimental structure. Leaching and carbonation during treatment were identified as being responsible for the deterioration in mechanical performance in the external part of the structure. The study of the treated material subjected to hydric cycles allowed to quantify their impact on mechanical behaviour, while determining the mechanisms by which the effects of the treatment were altered.