[PDF] Caractérisation et quantification des éléments perturbateurs de prise

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

ÉCOLE DOCTORALE : RP2E

École National supérieure

de Géologie de Nancy Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages

THÈSE

Présentée et soutenue publiquement le 28/01/2010 pour l'obtention du grade de :

DOCTEUR DE L'I.N.P.L.

Spécialité :

Mécanique - Génie Civil

par

Tangi LE BORGNE

Caractérisation et quantification des

éléments perturbateurs de prise lors du

traitement des sols Directeur de thèse : Mme Farimah MASROURI Professeur à l'INPL-ENSG

Co-directeur de thèse :

M. Olivier CUISINIER Maître de conférences à l'INPL-ENSG

Composition du jury :

Président du jury : M. Christophe PETIT Professeur à l'Université de Limoges Rapporteurs : M. Jean-Pierre MAGNAN Directeur Technique géotechnique au LCPC M. Jean-Claude VERBRUGGE Professeur à l'Université Libre de Bruxelles Examinateurs : M. Claude AIMÉ Directeur Technique DTP Terrassement Membres invités : M. Patrice CHARDARD Directeur Technique Eiffage Travaux Publics M. Dimitri DENEELE Chargé de recherche au LCPC

À Sana

Avant-propos

Cette étude a été financée par le Syndicat Professionnel des Terrassiers de France

(SPTF) ; elle a été menée au sein du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, dans le cadre

d'une convention CIFRE. Cette thèse inscrite à l'INPL - Laboratoire Environnement, Géomécanique et Ouvrage (LAEGO) s'est déroulée sous la direction de Pr. F. Masrouri et sous la codirection de Dr. O. Cuisinier. Dans le comité de pilotage de cette thèse sont intervenus les représentants du Syndicat Professionnel des Terrassiers de France (SPTF), du

LCPC et du LAEGO.

Remerciements

Avant tout je tiens à exprimer ma gratitude à Madame Farimah Masrouri, Professeur à l'INPL-ENSG et directrice de thèse, pour m'avoir guidé tout au long de ce travail de recherche et pour m'avoir accueilli au sein du LAEGO. Je tiens à remercier Monsieur Olivier Cuisinier, maître de conférences à L'INPL- ENSG et co-directeur de thèse, pour tous ses conseils avisés dans de nombreux domaines : scientifiques, techniques, rédactionnels, communications, ... . Je le remercie vivement de sa disponibilité de tous les instants. Et bien sur, je remercie également Mathieu ! Je remercie Monsieur J.P. Magnan, directeur technique géotechnique du LCPC et Monsieur J.C. Verbrugge, professeur à l'Université Libre de Bruxelles, pour avoir bien voulu accepter la tâche de rapporteur de ce mémoire. Je tiens aussi à remercier Monsieur C. Petit, professeur à l'Université de Limoges, Monsieur C. Aimé, directeur technique de DTP Terrassement, Monsieur P. Chardard, directeur technique Eiffage Travaux Publics, Monsieur D. Deneele, chargé de recherche au LCPC, d'avoir accepté d'être membre du jury de thèse. Dans le cadre du contrat CIFRE, je tiens à remercier C. Aimé et E. Lavallée de m'avoir accueilli au sein de DTP Terrassement. Je remercie également J.C. Auriol et J. Garnier pour m'avoir accueilli au sein du LCPC, centre de Nantes, dans la division Reconnaissance et Mécanique des Sols et la section

Construction et Durabilité des Ouvrages en Terre. Merci également à toutes les équipes du

LCPC que j'ai pu côtoyer.

Mes remerciements vont aussi à J.P. David, technicien supérieur au LCPC, pour son aide dans la préparation et la réalisation des essais. Merci également à mes collègues de bureau : Barbara et Nicolas. Mes pensées vont

aussi à Cédric, François, Yves-Laurent, Mathieu, Slah, Faming et à tous les autres doctorants

ou étudiants que j'ai pu croiser en 3 ans. Enfin, j'associe à ce travail Sana, Ewan et mes parents pour leurs soutiens et leurs encouragements très précieux de tous les instants.

Sommaireȱ

LISTE DES FIGURES........................................................................ .....................................vii LISTE DES TABLEAUX........................................................................ ..............................xvii INTRODUCTION GÉNÉRALE........................................................................ ........................1 CHAPITRE 1. LE TRAITEMENT DES SOLS : CONCEPTS DE BASE ...............................5

1. CLASSIFICATION DES SOLS EN TERRASSEMENT .................................................5

1.1. Les principaux constituants d'un sol........................................................................

....6

1.1.1. Les minéraux........................................................................

................................6

1.1.2. La matière organique........................................................................

....................7

1.1.3. L'eau........................................................................

1.1.4. Conclusion........................................................................

....................................8

1.2. La classification du guide technique de réalisation des remblais et des couches de

forme GTR ........................................................................ 9

1.3. Conclusion........................................................................

2. LE TRAITEMENT DES SOLS EN TERRASSEMENT ................................................10

2.1. Le compactage des sols ........................................................................

.....................11

2.2. Le traitement des sols à la chaux........................................................................

.......12

2.2.1. Les différents types de chaux........................................................................

.....12

2.2.2. Principe d'action de la chaux........................................................................

.....14

2.3. Traitement des sols au liant hydraulique...................................................................19

2.3.1. Les différents types de liant hydraulique ...........................................................19

2.3.2. Traitement des sols aux liants hydrauliques.......................................................21

2.4. Autres traitements........................................................................

..............................25

2.5. Conclusion........................................................................

3. LES DÉSORDRES RENCONTRÉS LORS DU TRAITEMENT DES SOLS À LA

CHAUX ET AU LIANT HYDRAULIQUE........................................................................

28

3.1. Influence de la minéralogie des sols........................................................................

..29

3.1.1. Granulométrie........................................................................

.............................29

3.1.2. Les argiles ........................................................................

..................................30

3.1.3. Les minéraux soufrés ........................................................................

.................32

3.1.4. Les micas........................................................................

....................................36 ii

3.2. Influence de la matière organique ........................................................................

.....37

3.3. Influence des substances minérales solubles.............................................................38

3.3.1. Les sulfates solubilisés........................................................................

...............38

3.3.2. Les fertilisants........................................................................

............................38

3.3.3. Les chlorures........................................................................

..............................39

3.4. Influence de divers composés sur les ciments et les bétons......................................40

3.5. Conclusion........................................................................

4. MISE EN ÉVIDENCE DES PROBLÈMES RENCONTRÉS LORS DU TRAITEMENT

DES SOLS........................................................................ 45

4.1. Évaluation de l'efficacité d'un traitement.................................................................45

4.1.1. Mesures de la résistance mécanique...................................................................45

4.1.2. Mesures de gonflement ........................................................................

..............46

4.1.3. Essais accélérant la prise........................................................................

............47

4.1.4. Conclusion........................................................................

..................................48

4.2. Paramètres influençant la perturbation des sols traités..............................................48

4.2.1. Influence de l'eau........................................................................

.......................48

4.2.2. Influence de la température........................................................................

........51

4.2.3. Influence de la nature du sol ........................................................................

......52

4.2.4. Synthèse ........................................................................

.....................................54

4.3. Exemples de problèmes rencontrés en chantier, cas du soufre..................................54

4.3.1. Exemple de l'avenue Stewart à Las Vegas, USA (Mitchell, 1986)...................55

4.3.2. Exemple du chantier de l'autoroute A28 (France).............................................56

4.3.3. Autres chantiers........................................................................

..........................57

4.4. Conclusion........................................................................

5. CONCLUSION ET OBJECTIFS DE L'ETUDE.............................................................59

CHAPITRE 2. MATÉRIAUX ÉTUDIÉS ET DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE................61

1. PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE DE TRAVAIL..................................................61

1.1. Travail sur des sols naturels........................................................................

...............61

1.2. Travail sur des sols reconstitués........................................................................

........62

1.3. Choix de la méthode de préparation des matériaux...................................................63

2. LES PARAMÈTRES D'ÉTUDE........................................................................

.............63

2.1. Les perturbateurs ........................................................................

...............................63

2.1.1. Choix des perturbateurs........................................................................

..............63

2.1.2. Les nitrates ........................................................................

.................................64

2.1.3. Les phosphates ........................................................................

...........................65

2.1.4. Les chlorures........................................................................

..............................66

2.1.5. Les sulfates........................................................................

.................................66 iii

2.1.6. Bilan des concentrations retenues pour l'étude..................................................67

2.2. Les sols........................................................................

2.2.1. Choix des types de sols ........................................................................

..............67

2.2.2. Le limon du Val d'Europe........................................................................

..........68

2.2.3. Le sable de Bouër........................................................................

.......................72

2.3. Types de traitements et liants ........................................................................

............74

3. MÉTHODES EXPÉRIMENTALES........................................................................

........75

3.1. La méthode de perturbation........................................................................

...............75

3.2. Le traitement des sols........................................................................

........................76

3.3. Méthode de compactage........................................................................

....................76

3.4. Conservation des éprouvettes........................................................................

............77

3.5. Les essais réalisés........................................................................

..............................78

3.5.1. Détermination des propriétés mécaniques..........................................................78

3.5.2. Caractérisations physico-chimiques...................................................................80

4. PROPRIÉTÉS DES SOLS ÉTUDIÉS APRÈS TRAITEMENT .....................................80

4.1. Le sable de Bouër........................................................................

..............................80

4.1.1. Données de compactage........................................................................

.............81

4.1.2. Délai de maniabilité ........................................................................

...................81

4.1.3. Aptitude au traitement........................................................................

................82

4.1.4. Résistance à la compression simple sans immersion.........................................84

4.1.5. Résistance à la compression simple après immersion........................................86

4.1.6. Microstructure du Sable de Bouër après traitement...........................................87

4.1.7. Bilan des propriétés du Sable de Bouër après traitement...................................89

4.2. Le limon du Val d'Europe........................................................................

.................90

4.2.1. Données de compactage........................................................................

.............90

4.2.2. Délai de maniabilité ........................................................................

...................91

4.2.3. Aptitude au traitement........................................................................

................91

4.2.4. Résistance à la compression simple sans immersion.........................................93

4.2.5. Résistance à la compression simple après immersion........................................95

4.2.6. Microstructure du limon de Val d'Europe après traitement...............................97

4.2.7. Bilan des propriétés du limon du Val d'Europe après traitement......................98

5. CONCLUSION........................................................................

iv CHAPITRE 3. IDENTIFICATION DES COMPOSÉS CHIMIQUES PERTURBATEURS DU TRAITEMENT DES SOLS........................................................................ 101

1. INFLUENCE DE LA PRÉSENCE D'UN CHLORURE SUR LE TRAITEMENT DES

102

1.1. Influence d'un chlorure sur le traitement du sable de Bouër...................................102

1.1.1. Résultats des essais d'aptitude au traitement ...................................................102

1.1.2. Résistance à la compression simple sans immersion.......................................104

1.1.3. Résistance à la compression simple après immersion......................................106

1.1.4. Synthèse ........................................................................

...................................107

1.2. Influence d'un chlorure sur le traitement du limon du Val d'Europe .....................108

1.2.1. Résultats des essais d'aptitude au traitement ...................................................108

1.2.2. Résistance à la compression simple sans immersion.......................................111

1.2.3. Résistance à la compression simple après immersion......................................112

1.2.4. Synthèse ........................................................................

...................................113

1.3. Discussion : impact de la présence de chlorure sur le traitement des sols ..............114

2. INFLUENCE DE LA PRÉSENCE D'UN NITRATE SUR LE TRAITEMENT DES

115
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