Procédure expérimentale et caractérisation géotechnique des matériaux

PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE ET CARACTÉRISATION GÉOTECHNIQUE DES MATÉRIAUX

INTRODUCTION

L’étude expérimentale réalisée a pour but d’identifier et de caractériser les sols marneux de Diamniadio à l’état naturel puis traitées avec la chaux d’une part, et la chaux-ciment d’autre part. Une marne sableuse a été reconstituée en laboratoire pour compléter l’étude. L’objectif visé, le protocole opératoire et les résultats des essais de laboratoire sont présentés dans ce chapitre.

OBJECTIF DE L’ÉTUDE EXPÉRIMENTALE

Le but de l’étude expérimentale est de déterminer les propriétés géotechniques des sols marneux de Diamniadio, à l’état naturel et après traitement aux liants hydrauliques (chaux et chaux-ciment), et de définir ensuite les conditions de leur utilisation en remblai et couche de forme de chaussées routières. La granularité du sol marneux a été corrigée avec un sable afin
de réduire sa plasticité et faciliter son compactage sur le chantier.

DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE

La méthodologie du travail expérimental s’articule autour d’un certain nombre d’essais normalisés de laboratoire. Ces essais usuels ont été tous exécutés au Laboratoire des Sols du Département de Génie civil de l’ESP. Les échantillons de sol marneux étudié ont été prélevés sur le site de la ville nouvelle de Diamniadio, dans le département de Rufisque.
Les étapes de l’expérimentation sur les échantillons de sol marneux sont les suivantes :
– détermination de la composition chimique ;
– analyse granulométrique au laser ;
– détermination des limites d’Atterberg ;
– essai Proctor Normal ;
– essai de portance immédiate IPI ;
– essai de portance classique CBR avec surcharge et après 4 jours d’immersion.
L’étude expérimentale comprend également l’exécution des essais suivants :
– analyse granulométrique de l’échantillon de sable correcteur ;
– essai Proctor Normal sur l’échantillon de marne sableuse.
L’expérimentation est parachevée avec les essais suivants exécutés sur les échantillons de sol marneux et de marne sableuse traités aux liants hydrauliques (chaux, chaux-ciment) :
– détermination des limites d’Atterberg ;
– essai Proctor Normal ;
– essai de portance immédiate IPI ;
– essai de portance immédiate CBR avec surcharge et sans immersion ;
– essai de portance classique CBR avec surcharge et après 4 jours d’immersion ;
– essai de résistance à la compression simple sur des éprouvettes de marne sableuse traitée avec de la chaux-ciment, après différents temps de cure.

PRÉPARATION ET IDENTIFICATION DES MATÉRIAUX

Localisation de la zone de prélèvement des sols marneux

Les échantillons de sols marneux ont été prélevés superficiellement avec une pelle mécanique (figure 18), à la gare de péage du TER, à Diamniadio. Les zones de prélèvement sont localisées sur la carte de la figure 19.

Identification géotechnique et classification du sol marneux

Analyse chimique

L’analyse chimique de l’échantillon de sol marneux a été réalisée par fluorescence. Les résultats de l’analyse chimique (tableau 11) montrent que ce sol est un aluminosilicate avec un rapport silice sur alumine (SiO2/Al2O3) égal à 5,3. Les pourcentages respectifs d’oxyde ferrique (Fe2O3) et de chaux (CaO) sont de 2,5 et 23,3 % et confirment ainsi la présence de goethite et de calcite. Par ailleurs, la teneur en oxyde de potassium (K2O) atteint 0,5 % et montre l’existence d’illite dans ce sol.

Granulométrie au laser sur l’échantillon de sol marneux

La granulométrie ou l’analyse granulométrique permet de déterminer la répartition pondérale des particules minérales d’un échantillon de matériau suivant leurs dimensions.
La granulométrie au laser est une technique qui est apparue dans les années 1970. Elle est décrite par la norme ISO 13320 et s’applique aux particules de dimensions comprises entre 0,05 et 2000 µm, ce qui est bien plus précis qu’avec la technique par tamisage ou par sédimentométrie. Elle convient également aux suspensions de polymères ainsi qu’à tout type de poudre (minérale ou non).
La granulométrie au laser est une technique basée sur la diffraction de la lumière. D’après la théorie de Fraunhofer :
 les particules sont considérées comme sphériques non poreuses et opaques ;
 les particules ont des diamètres supérieurs à la longueur d’onde ;
 les particules sont suffisamment éloignées les unes des autres ;
 les particules sont animées d’un mouvement aléatoire ;
 les particules diffractent la lumière avec la même efficacité quelle que soit leur taille.
Lorsqu’un faisceau laser éclaire une particule, on peut observer des franges de diffraction. Selon Fraunhofer, l’intensité du rayonnement diffracté et l’angle de diffraction dépendent de la taille des particules. Plus la particule est petite, plus l’angle de diffraction est grand. La théorie de Mie complète et remplace la théorie de Fraunhofer pour les particules inférieures à 10 µm.
La figure 20 montre la courbe granulométrique de l’échantillon de sol marneux et donne les principaux résultats de l’essai. Le pourcentage de fines (dimension inférieure à 80 µm) atteint 45 %.

Détermination des limites d Atterberg

Par définition, les limites d’Atterberg sont des teneurs en eau pondérales correspondant à des états particuliers d’un sol (figure 21). Ces limites sont déterminées sur la fraction du sol passant à travers des tamis de 400 μm.
La limite de liquidité (WL) est déterminée à l’aide du pénétromètre à cône ou cône suédois (XP CEN ISO 17892-12).
La limite de plasticité (Wp) est déterminée en formant un rouleau de sol de 3 mm de diamètre sur une longueur de 10 à 15 cm (NF P94-051). La limite de plasticité est atteinte lorsque le rouleau soulevé par son milieu de 1 à 2 cm, se fissure. La limite de liquidité (WL) est la teneur en eau de l’échantillon de sol au point de transition entre les états liquide et plastique. La limite de plasticité (Wp) est la teneur en eau de l’échantillon de sol au point de transition entre les états plastique et solide avec retrait. Les teneurs en eau ont été déterminées par étuvage à 105°C. L’indice de plasticité (Ip) est la différence entre la limite de liquidité et la limite de plasticité :

Essai Proctor Normal

L’essai Proctor Normal permet de déterminer la teneur en eau optimale (WOPN) c’est-à-dire celle avec laquelle il faut compacter un échantillon de sol pour obtenir le poids volumique sec maximum (γdmax). Il permet donc de connaître la teneur en avec laquelle on peut réduire, par compactage dynamique, le maximum de vides entre les particules composant le sol.
L’essai Proctor Normal est réalisé selon la norme NF P 94-093 sur les matériaux destinés à recevoir des charges moins importantes. Il consiste à placer dans un moule de dimensions déterminées, un échantillon humidifié de manière homogène à une teneur en eau donnée, peu élevée au début et à compacter cet échantillon par couches au moyen d’une dame de poids standardisé tombant d’une hauteur standardisée. Pour chacune des teneurs en eau considérée, il faut déterminer le poids volumique sec du sol et tracer ensuite la courbe de variation du poids volumique sec en fonction de la teneur en eau.La courbe Proctor obtenue passe généralement par un maximum qui correspond aux valeurs optimales de compactage OPN (WOPN, γdmax). La courbe Proctor de l’échantillon de sol marneux a une forme pointue ce qui explique sa grande sensibilité à l’eau (figure 22). Les détails des essais sont consignés en annexe II.

Essais de portance immédiate IPI et de portance classique CBR

L’essai CBR est un essai de portance effectué sur des matériaux de remblai, de couche de forme et de couches de chaussées routières. Il est décrit par la norme NF P94-078. L’indice portant immédiat (IPI) permet d’évaluer la traficabilité des engins de terrassement (IPI) tandis que l’indice portant CBR classique permet de dimensionner une structure de chaussée en déterminant l’épaisseur de chaque couche de matériau dans cette structure.
Le principe général de l’essai consiste à mesurer les forces à appliquer sur un poinçon cylindrique pour le faire pénétrer à vitesse constante (1,27mm /mn) dans une éprouvette de matériau compacté. Les forces nécessaires aux enfoncements respectifs de 1,25 mm, 2 mm, 2,5 mm, 5 mm, 7,5 mm, et 10 mm sont déterminées sur la courbe force-déformation.
On définit les valeurs caractéristiques suivantes correspondant aux enfoncements respectifs de 2,5 et 5 mm :
Dans le cadre de cette étude, l’indice portant immédiat IPI a été déterminé à partir de la teneur en eau optimale WOPN et avec un poids volumique sec correspondant à 95 % de la valeur maximale. Ce qui se traduit par 25 coups répartis sur trois couches de sol dans le moule CBR. L’indice CBR est déterminé sur trois moules compactés à la teneur en eau optimale WOPM avec différentes énergies de compactage : 90%, 95% ,100% de l’OPM. Le critère d’insensibilité à l’eau pour la construction routière des remblais et couches de forme selon le GTS, (2000) doit impérativement satisfaire les deux conditions suivantes : IPI > 10; CBR4j immersion / IPI ≥ 1.

Caractéristiques des liants hydrauliques utilisés

Le ciment CEM II/B-LL 42,5 R de la SOCOCIM-Industries de Rufisque a été utilisé pour cette étude.
La chaux utilisée est une chaux aérienne vive en provenance de Tunisie (INTERCHAUX.S. A., cité Mihri-1210 Thala Tunisie). Les principales caractéristiques de la chaux sont données dans le tableau 14. Sa composition chimique indique une grande pureté avec une teneur en chaux active (CaO) de 90,23 %.

Caractérisation de la marne sableuse traitée aux liants hydrauliques

Effets du traitement sur les limites d’Atterberg

La marne sableuse constituée en laboratoire se compose de 75 % de marne et de 25 % de sable (75 % M + 25 % S). Ce matériau artificiel a été soumis à deux types de traitement :
– un traitement à la chaux avec des dosages respectifs de 5 % et 6 % ;
– un traitement mixte avec des dosages respectifs de (3 % de chaux et 4% de ciment) et (3 % de chaux et 5 % de ciment).
Les résultats de la détermination des limites d’Atterberg sont présentés dans les tableaux 15 et 16 et les histogrammes correspondants dans les figures 26 et 27. Les détails de l’essai sont consignés en annexe I.

Effets du traitement sur les valeurs optimales de compactage

L’essai Proctor Normal a été exécuté sur des échantillons de la marne sableuse (composée de 75 % de marne et de 25 % de sable) traités à différents dosages de liants hydrauliques (chaux et chaux+ ciment). Ce type d’essai est considéré comme la référence en matière de compactage des matériaux utilisés dans les terrassements routiers (sol support, remblai et couche de forme). Le but est de mettre en évidence l’influence du traitement aux liants hydrauliques sur les valeurs optimales de compactage à savoir la teneur en eau optimale (WOPN) et le poids volumique sec maximal γdmax. Ces valeurs permettent d’apprécier l’aptitude au traitement de la marne sableuse. Les différentes étapes de préparation des mélanges sont décrites comme suit :
 humidification à 20 % des échantillons 1 et 2 de la marne sableuse ; temps de repos : 24h
 ajout de chaux et malaxage ; temps de repos : 1 h
 ajout de ciment ; temps de repos 30 min
 compactage de l’échantillon conformément à la norme NF P 94 093.
Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 17 et les courbes Proctor sont donnés sur les figures 28 et 29. Les détails des essais sont consignés en annexe II.
L’essai d’aptitude au traitement aux liants hydrauliques est réalisé selon la norme NF P94- 100. Pour le matériau traité à la chaux seule, on procède à l’évaluation du gonflement volumique, Gv (%) des éprouvettes de matériau conservées pendant 3 jours à 20 °C ± 2 °C et à 90 % de degré hygrométrique, et ensuite immergées 7 jours dans l’eau maintenue à 40 °C ± 2 °C. Dans le cas du traitement avec le ciment seul ou combiné à la chaux, la durée de conservation des échantillons est de 4 h ± 15 min aux mêmes conditions de conservation que les échantillons traités à la chaux seul. Cependant, en plus de la mesure du gonflement volumique Gv, la détermination de la résistance en compression diamétrale Rtb, est préconisée. Le critère d’évaluation de l’aptitude des sols traités à la chaux et/ou ciment est défini dans le GTS (2000).
Les essais ont été effectués sur des échantillons de marne sableuse traités avec la chaux ainsi qu’avec la chaux-ciment. Ils ont été malaxés à la teneur en eau optimale, puis compactés statiquement sous une presse à une vitesse constante de 1,27 mm/min dans un moule de 50 mm de diamètre et 50 mm de hauteur à 96 % du poids volumique sec maximum.
Pour chaque type de traitement, six (6) éprouvettes cylindriques (50×50) mm ont été préparées :
– trois éprouvettes (03) pour l’essai de gonflement volumique (Gv)
– trois éprouvettes (03) pour l’essai de résistance à la compression diamétrale (Rtb).
Les éprouvettes destinées à la mesure du gonflement sont démoulées immédiatement après confection et entourées d’une bande de confinement en textile synthétique souple et perméable maintenues par des élastiques afin d’éviter qu’elles ne se désagrègent lors de l’immersion. Toutefois les éprouvettes destinées à l’essai de compression diamétrale sont moulées dans un étui et maintenues dans cet étui durant la conservation. La valeur du gonflement volumique Gv est la moyenne des valeurs mesurées sur trois éprouvettes, elle est déterminée à partir de la variation des volumes de V1, V2, V0 suivant la formule suivante :

Essais de résistance à la compression simple

Les essais de résistance à la compression simple (Rc) sont effectués sur des éprouvettes de hauteur 10 cm et de diamètre 5 cm (élancement 2) compactées statiquement à la teneur en eau optimale WOPN et à 98,5 % de la masse volumique sèche maximale, d’après la norme NF P98- 232-1. Après conservation, les éprouvettes sont déposées sur les deux plateaux d’une presse et soumises à des charges croissantes jusqu’à la rupture. La mise en charge de l’éprouvette se fait de façon continue, de manière à ce que la rupture se produise entre 30 et 60 secondes après le début de l’application de la charge.